超製造預期12個月,毅力號火星車的3D列印組件製造有多困難

截至2021年1月3日，中國「天問一號」火星探測器飛行裡程已突破4億公裡，按計劃將在一個多月後實施近火制動，進入環火軌道，準備著陸火星。而美國"毅力號"探測器，則規劃於2021年2月18日上岸火星。

兩枚探測器對3D列印技術的應用都是規模性的，此前已有報導「天問一號」安裝使用了超過100個3D列印定製的零部件，其中包含相當數量的金屬3D列印零件。"毅力號"上採用的金屬3D列印零件也有11個，本期我們介紹的重點就是其中5個金屬零件的製造過程，它們的製造時間超過預期12個月，攻關團隊獲得了豐富的經驗教訓，同時也認識到即使是增材製造也面臨著可製造性的挑戰。

X射線光譜儀（PIXL）位於毅力號2米長機械臂的末端

不考慮製造可能性，全力優化設計

在毅力號火星探測器上，NASA使用精密X射線光譜儀（PIXL）幫助尋找巖石中古代微生物的生命跡象。其位於毅力號2米長機械臂的末端，如飯盒一般大小，是火星車上的七種儀器之一。太空飛行器任何結構的設計都需要承受發射時的超重，對於毅力號來說也是如此，而且它還要經受硬著陸以及火星巨大的溫差導致的金屬膨脹和收縮。對於PIXL來說，其外殼結構設計必須能夠承受這些衝擊。

NASA噴氣推進實驗室（JPL）的工程師在設計儀器套件時，就將100％的精力集中在組件的功能上，並沒有考慮在傳統技術下的製造可能性。在團隊確定了實現所需功能的最佳設計後，他們才考慮如何生產組件，而最終發現，這些設計的某些特徵只能通過3D列印技術予以實現。

PIXL安裝在懸臂的末端，將用於分析火星表面巖石的化學成分

X射線光譜儀（PIXL）的外殼結構共由五個3D列印件組成

X射線光譜儀的外殼結構共由五個3D列印件組成：大尺寸薄壁前蓋、縱深薄壁後蓋、具有空心箱形梁結構的安裝框架，以及用於X光機的工作檯和工作檯支架，均是空心薄壁結構。這些零件的壁厚在1-1.1毫米之間，複雜的表面在某些區域向外凸出，而在其他區域則向內凹進，保證PIXL實驗包內外的儀器保持間隙。NASA要求供應商交付至少三套產品，一套飛行組件、一套試驗臺組件以及一套或多套附加組件，以供進行破壞性試驗分析。

所有組件都必須保持在最大絕對重量以下，否則探測器將無法發射。關鍵儀器上的任何超重部件都可能導致其他實驗失敗，因此在權衡整個過程中可能的設計變更時，質量管理一直是頭等大事。

PIXL外殼由五個3D列印組件組成

美國Carpenter Additive公司通過增材和減材生產技術以及創新的表面處理技術，為關鍵的PIXL組件制定了生產計劃。為了製造零件，Carpenter Additive選擇使用了電子束粉末床熔融技術（EBM）。雷射粉末床熔融技術（SLM）通常被認為在薄壁、精細特徵和零件表面質量方面表現更好，而EBM則在較大/較重和較厚的零件列印方面表現出色，這些工藝優勢促使團隊選擇了後者。

由於EBM 技術需要高溫預熱，因此電子束腔室在為期數天的構建過程中，將組件保持在高溫粉末中，並在12小時內緩慢冷卻，從而有助於消除可能使精細特徵變形的殘餘應力。此外，由於粉末床本身是通過該過程進行半燒結的，因此它可以在構建過程中充當支撐結構。對於PIXL組件，這消除了添加支撐的需要，同時也避免了非常嚴格的公差風險。Carpenter Additive增材製造技術總監戴維斯表示：「通常當我們評估這兩種技術時，在製造上似乎很容易判斷哪種技術更好，但這是一場激烈的競爭，EBM技術可能會以非正式的52/48的優勢勝出。」

基於複雜的零件受力及質量要求，NASA和Carpenter Additive選擇使用高強度和低密度的鈦合金作為外殼材料，並使用Ti6Al4V 5+級以改善其機械性能。該材料的較高強度和良好的延展性，可保證薄壁零件在高度受力情況下具有至少930MPa的屈服強度和至少15％的延伸率。

在零件3D列印完成後，還需要經過熱等靜壓處理，再進行開孔和支撐去除、超聲波粉末去除、化學研磨、機械精加工以及最終加工。3D掃描檢查對於團隊在每個過程步驟之後驗證結果至關重要。

Carpenter Additive制定了製造計劃，該計劃將增材製造和減材製造工藝以及各種其他技術結合在一起，並在每一步進行檢查

戴維斯解釋道：「機械加工的過程非常漫長，由於每種後處理的作用都非常明顯，需要時常進行檢查，製作人員必須知道是否或在多大程度上偏離了最終的零件模型，從而確定後續的處理步驟。熱等靜壓可以使微觀結構均勻化，但這是一個高溫過程，可能會使零件變形，所以將不得不重新進行三維掃描。去毛刺和噴砂會使表面光滑，但也會改變尺寸特徵，因此仍然需要重新測量。」

製造人員對每個過程步驟及其可能導致偏離規格的理解以及每個步驟如何影響下一步驟至關重要，這對於零件的成功構建至關重要。

比例因子的重要性

電子束粉末床熔化過程是一個加熱、膨脹、熔化、固結、凝固和收縮的複雜過程。然而，這並不是一個線性過程，製造團隊必須確定比例因子，將其作為完成尺寸與模型尺寸比較的平均值。構建溫度在初始層中會下降，在構建期間會恢復，而在高層構建中頂層溫度將繼續升高，這會導致整個構建腔中零件溫度的變化。如果不完全理解這些比例因子，並且牢記這一點設計零件，零件在列印過程中的結構特徵可能會偏離模型並超出公差範圍。

由於零件需要旋轉以獲得最佳列印方向，因此其在每個正交軸上均未均勻地「縮放」。組件上的一個軸的尺寸是印表機中多個軸的組合，因此X、Y和Z的多個比例因子有助於提高尺寸精度。與通常使用電子束熔化製成的組件相比，PIXL外殼零件的薄壁產生的熱量非常低，在重新縮放時，初始零件往往被「過度縮放」並且列印得太大。但是，一旦掌握規律，製造團隊就可以將其應用於其他組件，從而加快迭代過程。

為確保組件滿足無故障要求，製造團隊需要交付幾套零件，這兩個前蓋組件正要進行熱等靜壓處理

支撐的重要性

永久性和半永久性的剛性支撐是整個開發過程中許多實驗的重點。在粉末床熔融過程中，支撐起到熱分流的作用，可以散發熱量並促進熔池快速凝固；同時可以防止零件因熱應力而移動或變形，對於EBM技術來說，其支持懸垂特徵。半永久性支撐在多項後處理操作中可以保護零件，如防止在熱等靜壓過程中薄壁結構變形，在加工關鍵表面時進行夾緊以及在化學處理過程中懸掛零件等。

半永久性支撐結構已添加到PIXL框架中，它可以在後處理中起到重要作用

框架的箱形梁存在列印挑戰，因為無論如何旋轉，總有一根梁完全水平，因此需要設計內支撐頂面。但是，該設計僅允許開設5毫米的孔以倒出內部粉末。在對可移動選項進行了大量試驗之後，只能設計永久性支撐，因此使質量增加了幾克。經過試驗和優化後，在框架的一條腿上列印了晶格結構，以確保它能在列印、加工和火星任務中倖存下來。通過對箱形梁進行實驗確定的結果對於更大的框架部件非常重要，這再次使團隊可以通過汲取的經驗教訓來加快迭代速度。

X射線圖像顯示了框架箱形梁內的晶格尺寸和結構的幾種變化

去除中空結構中的粉末

提取任何殘餘粉末對於避免引入異物損傷（FOD）的潛在來源至關重要。空心X射線臺架只設計了一些小孔，孔的尺寸或位置不可改變，因此需要先進的粉末提取技術。

利用超聲波粉末提取技術，組件上的傳感器可以發現內部粉末餅（EBM技術因加熱導致粉末間固結）的固有頻率，能夠將其分解並去除。在製造團隊已經清理了絕大部分粉末之後，藉助超聲波技術又去除了156克粉末。然而，超聲過程具有自身的挑戰，因為粉餅的自然頻率會隨著其破裂而不斷變化，因此需要重新調整以跟蹤固有頻率，直到所有粉末被分解並清除。

化學研磨有多種用途，如改善表面質量和減薄壁厚，還可以衝洗中空部件，以確保去除所有殘餘粉末。

END

PIXL組件是Carpenter Additive製造團隊遇到的最具挑戰性的3D列印任務。零件無法重新設計，並且由於關鍵的質量管理而無法更改公差。最終，在7.26千克的結構中增加了22克以提高可製造性。

除了需要3D列印過程具有高精度外，精加工過程也需要確保精度。最終零件具有0.127毫米真實位置公差和0.8μm的表面粗糙度

Carpenter Additive的團隊成功地在定義的參數範圍內開發了最終裝配組件，在此過程中進行了多次迭代，原計劃6個月完成的任務最終花費18個月才完成。製造團隊通過反覆嘗試，並在每個階段適時改進，在經驗教訓的總結中不斷獲得進步，由此可見製造任務的困難程度，也使其更深刻的認識到，即使增材製造也面臨著可製造性的挑戰。

後期，我們將介紹「天問一號」上面的金屬3D列印應用情況。

註：本文內容來自3D列印技術參考。