3D打印助力太空探索：航天器制造业的未来

2017-08-01

当一个公司着手于大胆的进行革命性的太空探索，那就很可能需要摒弃许多传统方式，通过设计和制造来重新定义太空探索。行星资源公司(Planetary Resources)不仅走在太空探索的最前沿，在制造航天器方面也处于顶尖水平。他们使用3D Systems的技术来优化复杂的部件及其装配---部件从需要装配到成为一整个铸件，这样一来可生成更轻质、设计迭代更快速和成本更低的部件。

小飞船、大使命

行星资源公司宣称的使命是无畏的：“建立资源利用的新方式，将太阳系也纳入人类经济影响的范围内。”

Arkyd 200效果图

行星资源公司用于低成本机器人太空探索的飞行器称为Arkyd系列航天器(宇宙飞船))，主要是为了识别可开采水和贵金属资源的近地小行星。第一个演示飞行器A3R于2015年推出，并成功进入太空轨道。第二个演示飞行器A6，于2016年春季发布。两个演示飞行器，大约麦片盒尺寸，主要被用于验证核心技术，包括航空电子设备、控制系统、软件和探测小行星资源的传感器。他们正在为行星资源公司的第一个全尺寸生产级飞行器Arkyd 100、200和300系列做准备。Arkyd 100、200和300比演示飞行器大2倍，重约11~15公斤(24-33磅)。他们足够小到可跟随更大的有效载荷装备到达太空，然后在条件允许的状况下从太空站被发送至太空轨道。

不浪费空间

行星资源公司希望Arkyd航天器最终能够进行批量生产，航天器的结构中也不允许存在某些比较有重量或占据太多空间的部件。此时，3D Systems引起了他们的注意。

Arkyd 300燃料箱的QuickCast原型，由3D Systems的SLA设备打印。QuickCast工艺使行星资源公司将多个部件整合成整体，从而提高设计效率和降低成本

行星资源的公司总裁兼首席执行官克里斯·莱维茨基表示，“3D打印帮助我们将单独的有机部分整合成了一个整体。我们的目标是让航天器如同手机那样，没有空间被浪费。”航天器的关键区域是油箱，在过去，油箱往往要占据航天器上一个很大空间，看上去就像一个累赘物附着在上面。与此相反，行星资源公司为Arkyd 200和300做的设计使用了3D Systems的专利QuickCast™原型，为航天器制作了集成性的结构框架。其他部件比如歧管、集气室和路径结构也直接整合到了用以支撑航天器的结构元件中。

使一个经过时间证明的技术更现代化

3D Systems的QuickCast工艺将可追溯到数千年前的传统铸造技术进行现代化革新，这是处理复杂设计度的完美解决方案。

首先通过3D Systems的SLA设备建立3D原型。打印完成后，未固化的液体可以从被抽壳的原型中排出。这个原型将被使用陶瓷进行挂浆制壳。一旦型壳坚硬了，经过高温煅烧后型壳中的树脂原型将气化。将液态金属浇注入空腔中，冷却后打破型壳就能得到成品零件。

QuickCast工艺主要的优势包括：

• 能够设计具有更强大功能性的复杂样件

• 能在一天内将CAD数据转化为pattern，节省了大量时间

• 无需耗费时间制作模具可快速迭代设计

• 通过整合部件减少部件数量

• 适用任何合金，包括常规飞行认证金属

克里斯·赖维斯基说到，”QuickCast能做到传统制造无法做出的工艺，对于能够直接金属打印我们非常兴奋。通过3D Systems的设备比如ProX™ DMP 320，我们可以制造具有更精致细节和精度的钛零件，我们期待着将这些利用到我们即将到来的航天器上。”

行星资源公司Arkyd航天器的3D打印件。左边是由通过3D Systems SLA打印机和QuickCast技术制作的钛金属部件，右边是直接由ProJet 7000 SLA设备打印的塑料件

以低成本得到速度和复杂的部件

使用3D打印来铸造金属可以在设计上不受拘束，从而达到更高层次的设计精巧度，制作出移除了紧固件、螺丝钉和其他辅助件的有机形状，而这些被移除的部分却是传统制造不得不需要使用的。

莱维茨基提到，“推进油箱通常需要占据航天器很大一部分体积，而3D打印可以让我们探索更有效的有机设计，可以使用钛材料来优化装有推进剂装置的结构。从结果来看，我们得到了一个更轻质、更低成本、更安全且更容易批量复制的航天器。”3D Systems制作出了真实尺寸的模型，在某种程度上来说，行星资源公司利用3D打印充分展现了Arkyd 200和300的设计。这个精致的模型看上去非常简洁。通过3D Systems SLA打印机的铸造原型制作的环形的钛金属油箱，主要用作整个航天器的外部框架。固定装置、布线设计和其他元素都做了嵌入式设计，以减少部件数量并增加强度和稳定性。环形物中心的孔装有热激光传感器和通信组件。

使用3D打印的原型设计的首个燃料箱用于Arkyd 100，后续将启用。Arkyd 100旨在进行地球观测和定位小行星。Arkyd 200也会追随它的轨迹，Arkyd主要是为了收集小行星物理特性的科研数据。Arkyd 300具有更大的推进系统，可进行深空探测。

航天制造业的未来

3D Systems打印机在Arkyd的整个产品开发中起到了核心作用，从原型设计到为实际的航天器制造生产级部件。