今年10 月，美國能源部橡樹嶺國家實驗室（ORNL）與美國國家航空航天局（NASA）合作，利用金屬增材制造技術制造出了一個類似于機器人月球車設計的車輪。該項目旨在展示該技術制造太空探索所需專用零件的能力。

　　此前，NASA 計劃于2024 年將一個移動機器人送往月球南極。這項任務的目的是繪制冰和其他潛在資源的地圖，并調查月球上水的起源和分布情況。它還將探索從月球表面采集足夠的水以支持人類居住的可行性。

　　盡管在能源部位于ORNL 的制造示范設施（MDF）制造的原型車輪不會用于NASA 的登月任務，但其構造符合為NASA 的VIPER 生產車輪的相同設計規(guī)范。研究小組在將該技術用于月球車、火星車或探索在其他空間應用（如大型結構部件）之前，計劃進行更多的測試以確認設計和制造方法。

　　當前，業(yè)界普遍認為增材制造技術具有顯著降低能耗、減少材料浪費和縮短交貨時間的潛力。這項技術還能實現復雜的設計和定制的材料屬性。

　　開發(fā)大型增材制造設備

　　為了制造漫游車車輪原型，ORNL 的MDF 研究人員使用了一種專門的增材制造設備，該設備采用兩臺協(xié)調激光器和一個旋轉構建板，將金屬粉末選擇性地熔化成所需的形狀。這種新穎的增材制造機能夠制造大型零件，大小足以讓人進入。

　　Peter Wang 是MDF 開發(fā)新型激光束粉末床熔融（PBFLB）系統(tǒng)的負責人。他說：“我們對該系統(tǒng)的功能還只是略知一二。但我真的認為這將是激光粉末床打印技術的未來，特別是在大規(guī)模和批量生產方面。”Wang 和項目組成員最近發(fā)表了題為“利用多激光旋轉粉末床熔融增材制造技術提高生產率”的研究報告，分析了該技術在制造電機等部件方面的可擴展性。

　　雖然設備本身是獨一無二的，但該項目的成功在很大程度上依賴于研究人員在過程自動化和機器控制方面的專業(yè)知識。他們利用ORNL 開發(fā)的軟件將車輪設計分為垂直層，然后在兩臺激光器之間分配工作量，以確保均勻制造從而實現高生產率。這項技術最近已申請專利保護。

　　車輪原型是新型增材制造的初始部件之一，它展示了機構合作的重要性。“NASA合作的項目確實推動了技術發(fā)展。”為ORNL 領導漫游車車輪項目的研究員Brian Gibson 分享道，稱這是一個里程碑。他說：將一種現實的制造能力與發(fā)展中的需求聯(lián)系起來非常好，團隊很高興能制造出具有太空探索應用價值的原型部件。

　　原型車輪由鎳基合金制成，寬約20 厘米，直徑約50 厘米。這個尺寸比使用金屬粉末床系統(tǒng)制造的典型零件大得多。制造工藝要求能夠在較大的工作區(qū)域內制造出較小的幾何特征。Gibson認為，增材制造技術可以實現更復雜的輪輞設計，同時不會增加成本或制造難度。

　　相比之下，將于明年穿越月塵的四個VIPER 車輪經歷了多個制造過程和裝配步驟。輪輞由50 個部件組成，通過360個鉚接點固定在一起。制造過程涉及復雜而耗時的加工，以滿足任務的嚴格要求。如果NASA 的測試證實增材制造的原型與傳統(tǒng)制造的車輪一樣堅固耐用，那么未來的漫游車就有可能使用單一的增材制造車輪輪輞。

　　該輪輞的制造過程花費了40 個小時。作為項目的一部分，ORNL 和NASA 工程師還探索了加入精確設計特征的可能性，如傾斜的側壁、圓頂形狀和波浪形胎面。這些特征將增強車輪的剛度，而在當前的VIPER 車輪設計中，使用傳統(tǒng)制造方法很難實現這一點。增材制造技術簡化了車輪設計，降低了成本并使最終裝配變得更容易，盡管輻條模式和輻條鎖定功能更為復雜。

　　NASA 機械設計工程師兼休斯頓約翰遜航天中心增材制造制造實驗室經理Richard Hagen 補充說：這些車輪的很多功能都是為了突出增材制造的優(yōu)勢。它可以輕松實現傳統(tǒng)工具甚至傳統(tǒng)加工零件難以實現的設計功能。據Hagen 稱，ORNL 制造大型零件的能力展示了增材制造技術在為漫游車制造更大車輪方面的潛力。

　　另一方面，研究小組面臨的一個挑戰(zhàn)是專門的增材制造設備只能使用某些材料進行制造。在這種情況下使用的是鎳基合金。因此，盡管制造厚度相似，但增材制造的車輪要比鋁制VIPER 車輪重50%。

　　NASA 計劃在漫游車上測試增材制造型車輪的性能。測試將在美國宇航局約翰遜航天中心的巖石場或在簽約測試設施的模擬月球環(huán)境中進行。評估人員將評估車輪的可操作性、抗轉動性、側滑性、爬坡性以及其他性能指標。

　　Gibson 評論說：增材制造具有靈活性，只要有原料，就能制造出所需的任何替換零件，無論是在太空還是在地球上。這也是增材制造技術在滿足各種替換需求（包括增材制造工具和難以獲得的鑄件和鍛件）方面獲得極大興趣的原因之一。在太空探索和居住方面，增材制造設備有可能利用月球或火星上的當地材料作為原料。

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