通过增材制造降低航空航天成本

太空增材

通过增材制造降低航空航天成本

我们在地球上研发、测试并全面组装航天器,并将它们通过运载火箭整体运往各自的作业地点。每个组件都需经过特殊设计,以承受发射阶段产生的高负荷。由于它们在轨道上承受的压力只是火箭发射时所承受压力的一小部分,因此在大多数情况下,除了要经过复杂的测试程序外,还会面临航天器部件尺寸过大这一挑战。例如:运载火箭运输所需的最大起飞质量和卫星体积等因素,造成空间运输成本高昂。同时,火箭的空间有限,这从一开始就限制了航天器的设计。目前,科学家们正在寻找能够扩大未来空间飞行任务的可能性、节约资源并降低成本的工艺技术。

一种可行的方法是利用衍生制造技术直接在轨道上制造航天器部件。衍生技术能够实现高效、敏捷的现场组件生产。慕尼黑应用科学大学的AIMIS-FYT团队正为此研发一种增材制造工艺,能在零重力的状态下制造航天器部件。要想实现太空旅行,不一定要满足苛刻的发射要求,而是可以根据任务要求精确定制。目前,这一工艺借助IDS的uEye CP工业相机,对处于零重力状态下抛物线飞行过程进行研究。

该团队通过这种增材制造工艺(也称为“现场制造”),开发了带有推料器的3D打印机,通过该推料器可以挤出液态光敏聚合物。“我们的3D打印工艺可以使用紫外光固化胶粘剂或灌封化合物,直接在太空中打印三维结构。”AIMIS-FYT 团队的新闻发言人Torben Schaefer在解释这项技术的特殊功能时说道。与传统3D打印机逐层生产组件不同,这种新型3D打印工艺直接通过打印头进行三维运动来生产组件。

在失重的状态下成功实现“斜杆”3D打印[Image:AIMIS-FYT]
在失重的状态下成功实现“斜杆”3D打印[Image:AIMIS-FYT]

通过使用紫外线,树脂能在零重力状态下自由挤压进入太空,并在短时间内固化。再加上失重状态下,制造方式可以不受地球上通常因重力而导致的形状限制。长悬臂结构件便是其中一个典型的形状限制示例:在地球上,因为重力的缘故,我们无法或者只能用复杂的支撑结构才能制造长悬臂结构件。在零重力的状态下,我们甚至可以制造出没有固定锚点的组件,比如压板。

这种生产工艺可以实现各种各样的设计,如太阳能电池板或天线的打印结构。例如,借助这种生产工艺,我们可为抛物面天线生产反射镜或生产用于太阳能发电机安装的桁架结构。小型、微型卫星,甚至整个卫星星座的制造商和分销商应该对此特别感兴趣,因为他们可以利用这种制造方法来降低单位成本,以及将其系统运送到轨道的发射成本。

此外,在轨道上组装的航天器质量减少,可以节省资源,并可通过携带更多的燃料来延长飞行任务时间。Torben Schaefer解释道,“燃料是限制卫星寿命的重要因素;目前卫星的寿命通常是15年左右。”

应用

制造过程最重要的工序就是打印。它基本上由3个主要阶段组成:

  1. 借助推料器挤出树脂
  2. 在零重力状态下,树脂以粘性状态从喷嘴中挤出
  3. 使用紫外线LED来固化树脂。


我们测试了直杆的打印、杆件的连接和自由造型杆件的制造。在一种情况下,使用传统的打印板开始打印;在另一种情况下,研究打印性能和自由浮动杆。

打印过程的主要参数有:树脂的挤出速度、紫外光强度、紫外光照射时间和轨迹,即打印机的运动轨迹。“在打印的过程中,介质的精确度、压力的稳定性和持续输送都很重要。”Torben Schaefer解释道,“同时,在整个过程中,参数应保持不变。”

使用IDS相机进行细节拍摄—零重力状态下生产的成品桁架结构[Image:AIMIS-FYT]
使用IDS相机进行细节拍摄—零重力状态下生产的成品桁架结构[Image:AIMIS-FYT]

IDS赞助的USB 3相机密切关注这一过程:该相机近距离观察打印机的喷嘴,并始终随之移动。这样,相机就会跟随喷嘴的每一个动作,始终精确地对准焦点。独特的图像剪裁方式能捕捉到喷嘴下方约4.5厘米杆状结构的形成。“IDS相机在此为树脂的释放和固化提供了非常重要的结果。”固化所需的紫外线LED会导致强烈的过度曝光,这意味着IDS工业相机的作业环境普遍存在光照困难的情况。对于IDS产品系列中的U3-3260CP相机而言,这并不是一个问题:它采用了高性价比的230万像素索尼传感器IMX249(1920 x 1200像素),在光敏性和动态范围方面设定了非常高的标准。像素尺寸达5.86微米的全局快门CMOS传感器正是为此应用而准备的,即使在较差的光照条件下(过度曝光会导致亮度过高)也能提供完美的结果。

该过程以较慢的速度进行,以便进一步分析喷嘴在零重力状态下的送料行为。相机必须精确地捕捉到杆状结构的轮廓。AIMIS团队的Torben Schaefer解释道,“为此,相机的高帧率和分辨率对我们获得高质量的评估至关重要。”IDS相机的帧率为47帧/秒,确保了卓越的图像质量和极低的噪音—这是在太空中执行任务的完美状态。IDS工业相机集成的便捷性也让研究团队信服。

软件

借助IDS SDK,我们可以将相机无缝集成到基于C++的监控系统中。

— AIMIS-FYT 团队的新闻发言人Torben Schaefer —

据他介绍,所有来自传感器的数据都会在这里汇集,使我们对打印机的当前状态和各个打印参数有一个全面的了解。“我们可以一键启动和停止IDS相机和其他所有测量记录。由于一次抛物线飞行只有二十秒时间处于零重力状态,而两次抛物线飞行之间有一分半钟左右的暂停时间,所以我们有针对性地开始和停止测量并记录数据,以保存最重要的信息。” 此外,借助IDS软件,能在显示器上显示打印过程的实时图像。“这种实时反馈让我们更容易设置和快速分析打印头。”

在欧洲航天局(ESA)FYT计划 的抛物线飞行过程中,零重力状态持续了20秒。[Image:AIMIS-FYT]
在欧洲航天局(ESA)FYT计划 的抛物线飞行过程中,零重力状态持续了20秒。[Image:AIMIS-FYT]

展望

实验的结果将用于进一步优化四种基本3D打印操作过程(直杆、带起始/停止点的直杆、自由造型杆件以及杆之间的连接),并证明零重力状态下增材制造的主要功能。实验成果有可能大幅降低太空技术中组件生产成本,因而实验目标是在太空测试该技术。“通过AIMIS-FYT项目,我们有机会主动塑造太空旅行的未来,”AIMIS-FYT团队的项目经理Michael Kringer说道。

无论是在地球上还是在太空中,IDS相机在关键的项目中都能够凭借强大的功能勇挑重担。

USB3 uEye+ CP相机-体积虽小,功能强大

AIMIS-FYT