江蘇雷射聯盟導讀:我們的徵程是星辰大海！將3D列印部件送往火星：一窺NASA噴氣推進實驗室增材製造中心和毅力號火車中的3D列印部件.
據《環球時報》報導，截至1月3日6時，中國天問一號火星探測器已經在軌飛行163天，飛行裡程突破4億公裡，距離地球約1.3億公裡，距離火星約830萬公裡。 美國「毅力」號火星探測器預計將於2月18日抵達火星並開始著陸程序。它帶有美國發射的第五輛火星車，美國航空航天局(NASA)希望它能找到火星存在生命的證據。「毅力」號計劃在火星的傑澤羅隕石坑著陸。美國天體生物學家雪莉·卡迪表示，「毅力」號是科學家了解這個紅色星球上是否有生命的最佳機會。據介紹，它的主要任務是對火星遠古時期的宜居性進行評估、尋找火星上的微生物痕跡。為此，「毅力」號將利用機械臂鑽探火星土壤和沉積物樣品，並將其封存起來，以備將來由其他火星任務帶回地球，成為「有史以來第一次從火星返回的樣本」。
而最近,美國NASA的噴氣推進實驗室( Jet Propulsion Lab,JPL)則密集發布了一系列關於3D列印部件的故事,這些部件伴隨著"毅力號"火星探測器進行了著陸探測..毅力號火星探測器中由11個部件採用了3D列印技術進行製造.這並不是第一次探空探測中使用3D列印的部件,但卻是JPL第一次使用3D列印的部件來組成的太空探測所使用的運動部件.
毅力號火星探測器，攜帶有3D列印的部件，安裝在機械手臂的末端的精密X射線光譜儀（PIXL） 和MOXIE的船體右舷上
Perseverance rover, with 3D-printed parts on PIXL (end of arm) and MOXIE (starboard side of hull). Source: NASA/JPL.
為了進一步的一窺航天飛行器中經過質量合格的部件長什麼樣，並且來探究採用增材製造相比較於傳統的減材製造技術的合理性，我們走進NASA的噴氣推進實驗室( Jet Propulsion Lab,JPL)並且和Andre Pate進行了親密的接觸。Andre Pate是增材製造小組的領導者，而Michael Schein則是發射任務的主要科學儀器測量設備的工程師的領導者。他們兩人均非常和藹的給了我們足夠的時間來向他們請教問題和非常客氣的讓我們領教了非常冷酷的JPL中採用增材製造列印的部件，並且還找到將來那些產品適合3D列印和適合航天飛行器的應用。
你將會領教到MOXIE的！
毅力號火星探測器 再室內和室外的情景
我們曾經對2020年的火星探測抱有極大的熱情，大家對這一偉大的工程背後運動的天體生物學和地理學實驗室非常感興趣，其中毅力號火星探測器尤其異常引人矚目。此外，作為自適應樣本緩存系統的深潛工作，將會對火星表土的秘密進行密封，最終的樣品會帶回到地球進行研究解密，而且，非常聰明的，這是第一個設計的飛行器在地球之外進行工作。我們會扼要介紹一下毅力號火星探測器，該探測器將會攜帶所有這些裝備在火星上進行探測。這一火星探測器中的科學探測任務預定完成的任務將會改變我們對火星的認知，並且會幫助我們首次發現外太空生命的確鑿證據。
為了完成這一探測任務，毅力號火星探測器包括大量複雜的儀器，火星探測器部件中的兩個主要部分就是3D列印的。用於Ｘ射線巖石化學成分分析的設備（X-ray Lithochemistry or PIXL），被設計成用於深度的探測火星巖石中是否存在生物化石的信號。火星的氧氣原位資源供應裝置（Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment, or MOXIE），設計成用來從火星的大氣環境中製造出源源不斷的的氧氣，支撐對火箭的加油和用於返回地球。這兩個主要部件均包含採用先進的金屬3D列印技術所製造的部件，這兩者均是在JPL的增材製造實驗室完成的。
材料和工藝
此外，除了比較典型的聚合物列印之外，聚合物的列印主要用於原型和列印一些固定用的裝置和夾具等，JPL的室內增材製造實驗室具有非常廣泛的技術用來列印金屬部件。依據形態的不同和部件應用的場景不同來決定使用何種技術進行列印。 JPL同時還可以安排外部的製造供應商來幫助他們列印一些在他們實驗室不能列印出來的精密部件。
在JPL增材製造實驗室中心採用直接能量沉積技術用來列印的一個部件
對於非飛行部件，JPL團隊使用較多的是能量直接沉積技術（directed-energy deposition，DED），聽起來屬於比較一種比較酷的３D列印技術。DED主要取決於高能束，如雷射或者電子束，來熔化粉末或者絲材。高能束能量熔化粉末或絲材形成熔池，然後層層生長列印出所需要的部件。DED技術同電弧焊或者雷射熔覆比較類似，輔之CNC控制列印頭和內部的減少氧氣的環境來進行列印。DED在列印時具有相對快的製造速率和相對精細的製造特徵，同時在列印完畢後不需要額外的機加工或衝壓等後續工藝。
DED列印工藝的另外一個優勢在於可以列印梯度合金材料。在JPL實驗室的 DED印表機時一個型號為RPM 222XR的設備，可以在一次列印時同時列印四種不同的材料。這一點同 FDM 列印時可以在一次列印時供應多種絲材並列印出不同顏色或者不同的材料相類似。但DED甚至可以工作的更好，因為它可以列印梯度變化的材料，此時製造的部件來源於多種粉末，在部件的而不同區域具有不同的而冶金性能。例如，論好奇心，一個促動器的鋼軸會由於磁性編碼器的原因造成錯誤。通過列印的該軸將磁性敏感的部分使用非磁性的鋼鐵材料進行列印，從而就可以避免這一問題了。
FDM的全彩色產品，醫療模型
對於在JPL構建的航天飛行器中飛行的部件，並不會使用室內的DED設備進行列印。相反，JPL傾向於使用鋪粉的列印設備（SLM）來列印高質量的部件。這一列印家族中的而另外一種設備，包括SLM 和DMLS等。該視頻為DMLSＳ在JPL增材製造中心進行製造的一個實況錄像。
在所有愛好者等級的聚合物列印辦法中,我們變得習慣於粉末床列印的技術,這一技術大概率是最接近採用立體光刻技術進行樹脂的列印,簡稱SLA.SLA列印使用光來聚合光敏感的樹脂,儘管來說,粉末床列印的技術是使用高能束來黏結或熔化在表面的一薄層粉末,粉末層層堆積,層層熔化.高能束可以採用雷射束,也可以採用電子束,JPL並沒有採用室內的雷射束來進行列印,而採用了電子束進行列印,這一列印是由供應商來完成的.
不管採用何種能量源進行列印,這裡依然存在大量的工程問題需要解決,如控制粉末床進行列印,因為列印的質量同粉末床的厚度密切相關.當一層粉末列印完畢時,製造平臺就會在程序的控制下提升一個高度.在列印的時候,需要有更多的粉末加入到粉末室中,在一個複雜的刮刀的作用下來保證新鮮粉末的均勻鋪展,以確保下一層粉末被列印.列印構建一層在一次完成後直到最終的鬆散粉末被移出,清理掉任何支撐結構,然後準備進行後續的加工.
後續加工
熱等靜壓,簡寫為HIP,是一個長期應用於粉末冶金工業中對部件進行最終處理的工藝,例如,壓鑄的擠壓工藝或者金屬諸如模具工藝,在最近應用於金屬的增材製造的處理.部件在增材製造的時候不可避免的的存在氣孔等缺陷,不管用於製造的粉末如何精細,氣體總會在結構中存在.HIP則致力於將這些氣泡擠走,使用一個組合的極端的高溫,如最高2,000°C和極端的壓力,也許會達到100 MPa甚至更高,使用的保護氣體為氬氣.
部件在經歷HIP處理時會經受一部分的壓縮.這就需要在設計的階段給與充分考慮,但HIP比常規的熱壓工藝要有優勢,這是因為施加的壓力只針對部件,其壓縮時在各個方向同時進行的.這一趨勢避免了尺寸的變形,而傳統的壓力使用的是鐵砧來施加到部件上的.
另外一個需要在增材製造過程中給予考慮的是飛行器中所使用的金屬增材製造產品是屬於"鑄造廠的內部檢驗"的問題.對於傳統的減材製造,開始的材料是塊體的金屬,已經經歷了鑄造過程.金屬要麼經過了鑄造,擠壓或者鍛造,經歷了熱處理和回火,從而具有眾所周知的性能,如強度,韌性和硬度等.同時它還有可能通過X射線來揭示可能隱藏的缺陷.它的晶體結構或多或少屬於固定的,並且剩下的工作就是移除不需要的部分,使得需要的部分保留下來.
對於增材製造,金屬部件最終的結果並不容易進行表徵.此時的開始材料的晶體結構在減材製造時是排列的非常好的,能量意味著需要在列印的過程中使開始的材料的微觀結構發生顯著的變化.因此,"鑄造廠的內部檢驗"的問題,對金屬的3D列印來說,就需要從頭開始.對於飛行的質量認證部件,其價值在飛行時都是以數億美元來計算的,因此工程人員需要解釋3D列印部件過程中所經受的混亂的,能量充沛的區域,然而,簡單的來說,在他們的火熱的出生的時候就需要解決.這就增加了它的不確定性,但由於增材製造技術的柔性,這是做生意時需要另外考慮的一個成本問題,同樣受到航天的青睞.
減材製造Vs增材製造
我曾經反覆的諮詢過分析師,如何確定一個部件是採用增材製造還是減材製造.深入了解之後,我假設成本會成為第一個驅動的的因素..NASA和JPL做了大量的工作使得航天探測站的成本大為下降,並且他們的預算也一貫的反應了所需要做的事情會更多.並且當你觀察一個部件的時候,當使用減材製造的時候,大約90%的材料變成了碎片,而增材製造則看起來要非常節省材料.畢竟,如果一個部件可以使用大體積的材料來進行製造,而且最終的產品同原始的材料非常接近的話,其成本花費的問題就不得不考慮了.
精密X射線光譜儀（PIXL） 的前蓋,是毅力號火星該探測器的11種3D列印的部件之一
圖解:增材製造使得這一部件的製造變得可能,而使用傳統的減材製造將會高昂得令人難以承受而被禁止了.
結果證明我錯了.當一個部件設計成為火星著陸器飛行部件的時候,在是否採用增材製造的時候,成本幾乎不會被考慮.增材製造通常被認為是一個使能技術,只是用來製造採用其他方法不易製造或者不能製造的產品.前面提到的梯度合金的軸就是一個比較完美的例子:混合了不同的冶金性質在一個部件當中,這是傳統技術幾乎不能製造出來的,除了增材製造之外.另外一個例子就是一個部件在採用其他工藝不可行的時候,而只有增材製造的部件可以最大程度的實現,或者是特殊的冷卻通道和需要製造冷卻通道的場合.這類部件採用減材製造是非常困難的,但採用3D 列印卻易如反掌.
.另外一個讓增材製造放射光芒的領域就是再製造舊部件.我們幾乎都聽說過,我們從來沒有聽說將阿波羅項目的F1發動機給予翻新再利用,這是因為專業技術的缺失和特殊工具的不存在,使得我們不能對其進行再製造.這似乎意味著大量的複雜的發動機就不能被翻新.但增材製造技術卻經常被用來製造出以前不能製造的部件.而JPL在這一領域所作的工作並不多,他們正忙著為未來而工作,並經,其他的部門,如美國的空軍,需要保證他們的戰鬥機在服役60年之後仍然能夠重返藍天,正在經常幹這件事.他們通過常規的掃描部件,經常使用的是CT掃描儀,然後由長期不存在的供應商來確定是否可以讓這些飛行器進行飛行.
精密X射線光譜儀（PIXL） 的前蓋,是毅力號火星該探測器的11種3D列印的部件之一
對於柔性的和功能強大的增材製造技術在航天中的應用,你可以想像在這一工業中成群結隊的現象.而當他們在一定程度上時,在大量的途徑中它仍然是一個非常保守的行業,隨著懷疑主義的激進的變革而變得更加理性.當正如增材製造技術正在持續的使得部件的製造從以前的而不可能變為可能,JPL也正在不斷增加使用以前不能製造的部件獲得成功的發射.這都證明它本身和不斷強化增材製造技術作為所有任務的首先.
毅力號火星車中3D列印的MOXIE部件的X射線影像圖
圖解:這一X射線影像圖表明了毅力號火星車的MOXIE的科學探測儀器的3D列印的熱交換器的內部情況.X射線影像經常用來檢查部件的缺陷
江蘇雷射聯盟綜合自：Hackaday，NASA,環球時報，白令三維等