在在这张插图中，NASA 的毅力号漫游者使用其行星 X 射线岩石化学仪器 (PIXL) 仪器分析火星表面的岩石。 Bryan McEnerney 是设计和建造 PIXL 团队的材料和工艺 (M&P) 负责人，该团队使用 3D 打印的前盖和后盖、安装框架和 X 射线扫描仪支架，全部由 AlSi10Mg（铝）制成或 Ti-6Al-4V（钛）。 （由 NASA JPL 提供）如果 Bryan McEnerney 要写一本书，他可能会把它命名为“关于陶瓷 3D 打印，你想知道但又不敢问的一切”。或者可能不是。 2005 年，这位陶瓷大师为他的博士论文取了一个比刚才建议的更简洁但更简洁的标题。 “关于 Al2O3 – MgAl2 的加工、结构和性能O4 纳米复合材料”为 McEnerney 赢得了博士学位。获得罗格斯大学 (Rutgers University) 的学位，这是他学术生涯的杰出终结，包括陶瓷工程硕士学位（同样来自罗格斯大学）和利哈伊大学 (Lehigh University) 的材料科学与工程学士学位。
如今，Bryan McEnerney 博士担任作为洛杉矶 NASA 喷气推进实验室 (JPL) 的推进、热和材料系统的材料技术专家。经过二十多年的陶瓷研究和工作——首先是在普拉特和惠特尼洛克达因公司（现为 Aerojet Rocketdyne），随后在喷气推进实验室长期任职——他对我们许多人的材料有很多话要说等同于浴室瓷砖和精美的餐具。
然而，令人惊讶的是，他在那段时间撰写或合作的许多科学论文甚至没有提到陶瓷这个词，而是专注于更常见的、高品质的性能添加剂 m制造 (AM) 材料，如 AlSi10Mg 和聚醚醚酮或 PEEK。这是因为陶瓷增材制造仍然非常具有挑战性，McEnerney 指出，充满了对零件收缩、孔隙率、密度、粘合剂材料以及有点不祥的术语“缺陷数量”的担忧。
受缺陷支配
行星仪器X 射线岩石化学 (PIXL) 在 NASA 喷气推进实验室进行测试期间打开封面。 X 射线光谱仪位于火星车机械臂末端的炮塔上，是毅力号上的七种仪器之一，将有助于寻找岩石中古代微生物生命的迹象。
“3D 打印的最大障碍之一陶瓷是大多数具有非常高的熔点，”McEnerney 说。 “例如，铝在 660 摄氏度下熔化s [1220°F]，氧化铝的熔化温度几乎是它的四倍，即 2,200 摄氏度 [3992°F]。此外，它具有非常高的弹性模量，并且像许多陶瓷一样，容易受到热冲击。这就是为什么我们使用派热克斯玻璃而不是传统的高强度陶瓷来制作烤箱炊具。因此，尽管这类材料具有一些奇妙的特性，但打印起来却让人头疼。你基本上受制于陶瓷的缺陷。”
尽管存在这些限制，McEnerney 仍在继续尝试。他会告诉您，他从大学时代起就对 3D 打印很感兴趣，22 年前他的第一个项目是尝试将陶瓷粉末掺入用于熔丝制造 (FFF) 的聚合物基原料中。该项目最终耗尽了资金，但确实让他成为了自封的增材制造拥护者。
从那时起，他看到其他人在陶瓷方面取得了有限的成功使用粘合剂喷射和立体光刻技术，虽然再次出现，但要形成没有变形和孔隙的完全致密物体的难度很大。 McEnerney 说：“我们目前正在研究一种相对于这些传统方法有些激进的替代方法，但我现在真的不能分享更多。”
幸运的是，对于 McEnerney 的职业道路来说，陶瓷始于一种粉末。再加上他在材料科学方面的广泛背景，这使他成为粉末冶金方面的专家，这是增材制造领域非常相关和抢手的能力。因此，他大部分时间都在研究铝、钛和钨等材料，打印出完全来自这个世界的零件。
Mars moxie
这方面的一个例子是他在 PIXL 上的工作，PIXL 是“X 射线岩石化学行星仪器”的首字母缩写词。这个午餐盒大小的设备位于 Mars Persever 的末端ance Rover 的机械臂，它测量行星表面岩石的化学成分并寻找生命。 McEnerney 是设计和制造 PIXL 团队的材料和工艺 (M&P) 负责人，该团队使用 3D 打印的前盖和后盖、安装框架和 X 射线扫描仪支架，所有材料均由 AlSi10Mg（铝）或Ti-6Al-4V（钛）。
这个火星氧气原位资源利用实验 (MOXIE) 仪器的工程模型即将在加利福尼亚州帕萨迪纳喷气推进实验室的实验室进行振动测试。McEnerney 的另一个毅力项目是火星氧气原位资源利用实验，或 MOXIE。在这里，一个由高硅铝制成并充满微小通道的 3D 打印组件可将富含二氧化碳的火星空气转化为人类所需的氧气。d 推动未来的航天器返回地球。 “这就像一个反向运行的燃料电池，”他说。
还有丘比特之箭，它是行星科学深空小型卫星研究 (PSDS3) 计划的一部分，该计划将使用小型卫星或立方体卫星进行调查金星、火星、地球的月球、各种小行星和外行星。 McEnerney 是负责为 SmallSat 结构 (ADAMSS) 开发增材设计和制造组件的团队的一员，在这种情况下，该组件将掠过灼热、充满硫酸的金星大气，以收集气体进行分析。
“任务理事会想看看我们是否可以使用增材制造来创建多功能设计，因此在两年的时间里，我们建造了多个版本的泪滴形推进剂罐，作为航天器的主要结构和外壳对于质谱仪，”他说。 “我们最终采用了一体式设计，大大超过了振动、压力和重量的任务参数，即使使用强度相对较低的材料，如 AlSi10Mg [高硅铝]。”
COVID-19 推迟了 PSDS3 计划的大部分时间，因此刚刚描述的金星立方体卫星计划在未来发射。无论如何，McEnerney 理所当然地为他和他的同事所取得的成就感到自豪。他指出，使用传统技术制造推进剂罐和类似的空间限制组件可能是可行的，但这既费钱又费时，而且设计迭代和优化的机会会少得多。
McEnerney 说，“仅仅是制作一个铸件就可能需要六个月或更长时间，而且它离提供增材制造可能的多功能能力还差得很远。这就是为什么我希望将我们推进模块背后的方法应用于任何行星外飞行器，例如 JPL Insight 着陆器，我们在那里飞行了两个第一个立方体卫星——MarCO-A 和 MarCO-B——到另一个星球。”
未来的制造
将会有更多这样的项目。还有很多。增材制造已经在太空探索中发挥着举足轻重的作用，并将在未来获得更强大的立足点。他说，这种势头部分要归功于 Alison Parks、Richard Russell 和 NASA 的其他人，他们（与 McEnerney 一起）合作制定了航天局的标准 6030，“航天系统的增材制造要求”，该文件使增材制造材料鉴定任务比以前轻松多了。
工程师将 MOXIE（火星氧气 ISRU 实验）放入 NASA 毅力号探测器的腹部。 MOXIE 是一项技术演示，旨在将火星大气中的二氧化碳转化为 i转化为氧气。McEnerney 正在合作开发另一种具有突破性的增材制造能力：梯度合金。 “我们一直在与几所大学合作，在一次建造中从钛过渡到不锈钢。这是一个真正的挑战，因为它容易开裂，所以我们引进了热力学建模器和工艺路径分析工具，后来，一箱又一箱的破损样品开发了一种技术，宾夕法尼亚州立大学将很快发表一篇论文。”
他之前提到的设计迭代也变得更加容易，这要归功于拓扑优化和相关软件工具，使 McEnerney 的多功能目标更容易实现。在此期间和航天系统设计标准的制定之间——更不用说 McEnerney 和他在 NASA 的同行带来的丰富经验——像这样的先进设计将变得越来越普遍。
这样的工作提供意想不到的附带好处。由于 3D 打印部件的开发成本要低得多，并且可以在创纪录的时间内部署，NASA 发现其投资回报率确实在飙升。 “例如，SmallSats 是飞行的航天器，随着更大的 New Frontiers 或 Discovery 级任务之一发射，”McEnerney 说。 “因此，对于初学者来说，他们可以从现有项目中受益，并且可以在更短的时间内获得科学成果，因为他们愿意承担更多的风险。如果你损失了 50 到 1 亿美元的资产，而不是价值 10 亿美元的资产，人们就不会抱怨那么多。”
McEnerney 很快对最后一点进行了限定。他解释说，JPL 的宗旨是机器人探索宇宙。与人类太空飞行不同的是，没有人会为失去一艘由机器人驾驶的飞船而悲伤。 “没有人说，‘嘿，让我们投入五年和多少百万美元付之东流，’”他说。 “但与此同时，我们没有分配给火星 2020 任务的预算。为了让我们获得最大的收益，我们必须冒一些风险，尽管是以可控的方式。增材制造具有执行多功能设计的能力，让我们能够做到这一点。”
撇开设计机会和成本考虑不谈，McEnerney 总结了一个现在应该非常明显的声明。 “我有一份很酷的工作，”他说。 “对于我自己和所有与我一起参与这些项目的人来说，我不得不说，得知我们现在拥有功能齐全的增材制造部件，正在火星表面开展科学研究，我感到很欣慰。”
