經(jīng)過(guò)數(shù)億公里的行程，載有11種3D打印金屬零件的美國(guó)毅力號(hào)火星車最終成功度過(guò)“恐怖的七分鐘”，于北京時(shí)間2月19日4時(shí)55分著陸火星。NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)時(shí)報(bào)道了火星車的降落過(guò)程。

使用3D打印可以使工程師進(jìn)一步解放設(shè)計(jì)約束，例如使零件更輕、強(qiáng)度更高或能夠更加耐受極端環(huán)境等。而就如我們?cè)谕谖恼轮兴榻B的，這些3D打印組件的制造難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)期，而且一度逾期交付。

毅力號(hào)火星車著陸過(guò)程演示

2012年8月，美國(guó)“好奇號(hào)”在火星表面著陸，這是人類首次在其他星球登陸的最精密的移動(dòng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室。值得注意的是，該火星車流動(dòng)站的樣品分析儀器中包含3D打印的陶瓷零件。此后，NASA繼續(xù)對(duì)航天器的3D打印應(yīng)用展開測(cè)試，以確保更加清楚地了解零件的可靠性。

作為火星車的“二級(jí)結(jié)構(gòu)”，3D打印的零件能否最終勝任工作其實(shí)并不會(huì)危及最終任務(wù)，但NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）增材制造部門的負(fù)責(zé)人指出，“將這些零件運(yùn)送到火星本身就是一個(gè)巨大的里程碑，這將為增材制造在航天工業(yè)中的應(yīng)用打開更多的大門?！?/p>

毅力號(hào)火星車包含七種儀器

精密X射線光譜儀含5個(gè)鈦合金薄壁零件

在送往火星的11個(gè)3D打印零件中，有5個(gè)在火星車的精密X射線光譜儀（PIXL）中。其尺寸約為飯盒般大小，主要用于尋找化石微生物生命的跡象。

光譜儀與其他工具共用一個(gè)40公斤重的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)，轉(zhuǎn)臺(tái)位于火星車2米長(zhǎng)的機(jī)械臂末端。為了使儀器盡可能輕巧，JPL團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了光譜儀的兩件式鈦合金外殼、一個(gè)安裝架和兩個(gè)支撐支柱。整個(gè)結(jié)構(gòu)被固定在機(jī)械臂末端，所有零件的壁厚在1-1.1毫米之間，其質(zhì)量比常規(guī)生產(chǎn)的零件少了3到4倍。

PIXL及其3D打印組件

JPL的X射線光譜儀（PIXL）首席機(jī)械工程師介紹：“從非常真實(shí)的意義上講，3D打印使該儀器集成到火星車中成為可能，它使我們實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)制造所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的低質(zhì)量和高精度?！?/p>

另外6個(gè)為氧氣制造儀器的超級(jí)合金熱交換器

毅力號(hào)的其他六個(gè)3D打印零件可以在名為“火星氧氣原位資源利用實(shí)驗(yàn)”或MOXIE的儀器中找到。該設(shè)備將測(cè)試能否利用火星大氣層制造氧氣，其計(jì)劃包括通過(guò)將微生物帶到火星表面，使用美國(guó)麻省理工學(xué)院研制的MOXIE設(shè)備，借助微生物制造氧氣，未來(lái)這些氧氣將供給人類呼吸并用于火箭推進(jìn)從而幫助宇航員返回地球。

毅力號(hào)MOXIE設(shè)備

MOXIE設(shè)備內(nèi)部

為了產(chǎn)生氧氣，MOXIE需要將火星空氣加熱到接近800℃。該設(shè)備內(nèi)有六個(gè)掌型鎳合金板熱交換器，可保護(hù)儀器的關(guān)鍵部件免受高溫影響。

傳統(tǒng)加工的熱交換器需要由兩部分組成并焊接在一起，而MOXIE的熱交換器則被整體3D打印出來(lái)。該部分的制造任務(wù)由美國(guó)加州理工學(xué)院完成，實(shí)際上，該學(xué)院也是NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的行政管理結(jié)構(gòu)（詳情可查百科）。

3D打印的超級(jí)合金熱交換器

JPL的材料工程師表示：“鎳基合金又被稱為超級(jí)合金，它們即使在非常高的溫度下也能保持強(qiáng)度。” 通常，高溫合金多被用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)或發(fā)電渦輪機(jī)，即使在高溫下，也能很好地抵抗腐蝕。

3D打印的熱交換器X射線影像用以檢查內(nèi)部缺陷

盡管3D打印具備一體化的制造優(yōu)勢(shì)，但材料同時(shí)面臨孔隙或裂紋的挑戰(zhàn)。為避免這種情況，制造團(tuán)隊(duì)對(duì)掌型鎳合金板進(jìn)行了熱等靜壓處理。零件被加熱到1000℃以上，并在零件周圍均勻施加壓力，然后工程師使用顯微鏡和大量機(jī)械測(cè)試檢查了熱交換器的微觀結(jié)構(gòu)，并確保它們達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)。

該項(xiàng)目的材料工程師對(duì)微觀結(jié)構(gòu)尤其在意，它不僅決定了性能，更決定了零件能否正常發(fā)揮功能。

END

正如NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室增材制造部門的負(fù)責(zé)人所指出的那樣，將3D打印的零件運(yùn)送到火星本身就是一個(gè)巨大的里程碑，這將為增材制造在航天工業(yè)中創(chuàng)造更多的應(yīng)用可能。隨著任務(wù)的進(jìn)行，我們將看到更多探測(cè)結(jié)果，對(duì)此，我們滿心期待！