下一个前沿领域包括 3D 打印材料和天线
图 1：此处显示的涡轮机械部件通常使用激光金属熔化技术生产。 （所有图片由 TRUMPF Inc. 提供）我如何看待太空探索？如果你问我那个问题并让我开始讨论那个话题，我可能会停不下来。自从新的太空竞赛开始以来，我们开始看到“新太空”公司如雨后春笋般涌现，这些公司基本上都是科技初创公司：积极主动、热情、有动力的个人致力于他们的使命，并会做“正确的事”来实现他们的目标.增材制造 (AM) 或 3D 打印是他们可以用来帮助实现目标的工具。对于航天器甚至发射台上的金属部件，简而言之，AM 是推动下一个太空探索的一代。
在过去的几年里，我们看到了公共和私人太空探索行业的巨大成功。传奇人物威廉·夏特纳（因《星际迷航》成名的柯克船长）在 90 岁时乘坐了蓝色起源公司的新谢泼德飞船，成为进入太空的年龄最大的人。 SpaceX 的星际飞船有一个新的暂定发射日期，即 2022 年底。维珍轨道公司从莫哈维航空航天港发射了卫星，并计划在未来几个月内从英国发射。萤火虫首次成功飞行，阿斯特拉也从其阿拉斯加设施返回发射。 NASA 的 Artemis 任务已经开始，虽然推迟了，但会在安全的情况下恢复。许多其他公司继续取得进展，包括 Rocketlab、ABL Space、Stoke Space、Venus Aerospace 和 Firehawk。
使用增材制造进行太空探索的讨论一直有增无减。例如，Relativity Space 宣布了它的意图ion 将于 2022 年 10 月下旬发射。这一点意义重大，因为其车辆的很大一部分是使用增材制造工艺生产的，例如线弧增材制造 (WAAM) 和激光粉末床融合——也称为激光金属融合 ( LMF)。
许多其他新老航天公司都在使用增材制造工艺制造结构部件、燃料箱、桶和推进装置。经典的火箭发动机非常适合 3D 打印，激光金属融合适合生产涡轮机械、喷射器、燃烧室和喷嘴。
在太空光谱的另一端，有效载荷也可以通过增材制造被运送到太空。例如，卫星天线是一种完美的金属部件，可以利用 3D 打印技术使其更好、更快、更可靠。整个 2022 年，增材制造用户在为这个行业生产零件时的聪明才智给我留下了越来越深刻的印象，并惊叹在最近与 Paul Gradl 的播客对话中，Paul Gradl 是 NASA 的经常合作者，也是一位太空极客。
在本专题中，我们将详细介绍 AM 用于太空探索的几个明显示例，以及这些发展的原因非常令人兴奋。
图 2：激光金属融合用于制造这颗卫星天线。卫星天线
在我们都沉迷于手机的时代，我们'我发现人们根本无法处理没有连接的问题。我们的手机、手表、护目镜和汽车上的应用程序使用全球定位卫星来提供互联网访问、音乐、视频和一般连接。过去因手机覆盖不足而服务不足的农村社区现在可以利用卫星星座网络进行连接。来自低收入家庭的学生家庭现在可以在线学习和完成家庭作业，使他们能够在更公平的基础上接受教育。无论需求是什么，所有这些连接要求都意味着需要更多的卫星，尤其是立方体卫星和星座。幸运的是，激光金属熔合是加快这些部件的生产和质量的绝佳解决方案。
图 2 显示了用于 Ka 波段的 3D 打印射频天线的图形。用 LMF 生产卫星天线有一些很好的好处。复杂的设计可以很容易地转化为激光束的扫描运动，以创造出传统工艺难以制造的形状。在这个例子中，我们看到了 AlSi10Mg 零件，这是一种众所周知的铝合金，可以在整个行业的各种激光粉末床熔化机中打印出良好且可靠的效果。单片设计可以包括喇叭、滤波器和波导等功能，同时实际减少输入损耗。
如果使用足够小的光斑尺寸，可以获得非常精细的壁厚（低至 0.1 毫米），并具有出色的表面光洁度（6-7 毫米 Ra）。根据零件的尺寸和机器的尺寸，多激光机甚至具有生产力优势，因为它们可以使用完整尺寸的构建板在一个周期内打印多个零件，而无需担心激光重叠和意外的启停。如果我们继续提高 LMF 工艺的可靠性和质量，它将成为制造卫星部件的首选工艺。
用于发动机喷嘴的 C103 铌合金
任何难以加工的材料只要原料可用，传统工厂产品形式的产品可以被视为 AM 加工的候选者。来自原始太空竞赛的特殊高温遗留金属，铌基 C103 合金就是一个很好的例子。已研制出航天器二级真空发动机和部分军用飞机加力燃烧室使用 C103，因为它具有高达 1,370° C 的耐温性。
图 3：激光金属沉积是创建复杂喷嘴结构的理想方法。然而，传统的轧机产品金属板很难在这种材料中生产，因为它来自电子束初级熔化，然后是真空电弧重熔“EB-VAR”铸锭，然后锻造并轧制成板。这个过程从订单输入到钣金出现在码头需要超过 35 周的时间——这是一个令人难以置信的长交货时间，其中不包括成型、水射流切割成型、电子束或氩弧焊到最终配置，然后涂层.此外，薄的测量板部分需要极端的处理过程，因为它们非常锋利并且可能伤害操作员。为什么不简单地 3D 打印这种材料呢？
这样更容易说难做。获得金属板材 C103 的高度艰巨过程仅比生产粉末或线材好一点点。然而，使用 C103 粉末的 LMF 进行增材制造已得到成功证明。使用 C103 粉末制造零件的好处是缩短了交货时间并简化了流程。使用 3D 打印，只使用所需的粉末，并且不会因切割片材掉落而造成潜在的产量损失。您可以跳过成型和 EB/TIG 焊接操作——打印您的零件，瞧。您也不会因处理锋利的切割边缘而受伤。对于卫星推进器等小型推进装置，激光金属熔合是构建体积的理想工艺，如果它们都可以安装在同一构建板上，再次利用多激光机打印多个。
另一个好消息是，线材添加剂工艺的工作已经开始，尽管显然需要更多的原料可用性才能实现这一目标。我最近他从材料科学的另一面提出一个论点，问为什么我们继续使用 C103，而铌或其他难熔金属合金中可能有更好的东西，可以更好、更便宜地完成耐温性工作。很明显，这个主题的改进范围为使用 ICME 方法（热力学模型和软件工具）进行材料开发提供了广阔而肥沃的土壤。
