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3D打印技术为遨游太空保驾护航

3D打印技术为遨游太空保驾护航

2021-10-15 14:06

太空的环境极其严苛。极端的温度、辐射及轨道碎片随时会对任何准备不足的航天设备造成严重破坏。自人类首次冒险飞越地球保护层以来,用于往返地球和太空的交通工具将工程学和材料科学推向了极限。这是Sierra Space团队每天都面临的挑战,在拥有了正确的技术加持后,Sierra Space做好了充分的准备迎接挑战。

 

 

将3D打印技术引入公司内部为设计师开启了新世界,他们可以在许多应用上都利用并发挥这项技术的优势。

—Bob Gjestvang

Sierra Space首席TPS制造工程师

为特殊零件打造的正确解决方案

Sierra Space打造的“Dream Chaser”号太空飞机是一款多任务多功能的运输工具,其主要任务是将货物从地球运送到一些近地球轨道的目的地如国际太空站。作为可重复使用的航天设备,“Dream Chaser”必须承受重返地球大气层时的高温。

这是太空飞行过程中非常关键的一步,要幸存下来,就需要热防护系统(TPS)。TPS会在航天器外部建立一个保护层,保护层由2000块耐高温隔热片组成,这就像给航天飞机披了件斗篷。

隔热片通过一种装置粘在“Dream Chaser”的表面,这种装置可以将隔热片粘在准确的位置,并在拉力测试中找到一个合适的粘力。若使用传统工艺来制造此类装置,则需要使用耐热片模具和树脂材料进行铸造。由于一个装置只能匹配一块隔热片,这个生产过程就变得非常耗时耗力。

Sierra Space制造团队想要找到一种更好的解决方案,最后他们选择使用3D打印技术而不是传统的铸造工艺来制造该装置,这个制造过程充分利用了3D打印的多项优势。首先,3D打印无需人力,减少了用树脂材料铸造每一个装置所耗费的时间。

 

 

3D打印的验证粘力的装置(中间白色装置),用于粘合和检查热防护系统隔热片。

 

 

3D打印装置的资质

Sierra Space首席TPS制造工程师Bob Gjestvang说:

在对比了人工铸造与3D打印所花费的时间和成本之后,你就会意识到选择3D打印是必然。事实上,选择3D 打印所节省下来的劳动力成本就足以支付一台Stratasys F900™打印机的费用。

除了将铸造每个装置所需的时间节省下来,Sierra Space还利用3D打印的数字化优势来自动化装置设计的开发流程。工程师可以使用隔热片的CAD模型自动生成该装置的CAD模型,从而节省单个装置的设计开发时间。

Gjestvang说道:

如果采用传统的工艺来做CAD设计,那么制造这些装置需要花费数万个小时。仅仅是劳动力成本的节约就为项目带来巨大效益。

确保万无一失

更重要的是3D打印技术提供的精确度,这是保证航天飞行安全的关键因素。

正如Gjestvang所说:

宇宙飞船可不是汽车,出了故障无法在路边停车。

这就意味着Sierra Space必须从一开始就确保万无一失。TPS是一个非常重要的非冗余系统,该系统必须能够承受再次进入大气层时的高温,因此,Sierra Space团队必须在首次飞行之前保证设计、建造及测试环节不出差错。

Gjestvang表示,3D打印有助于通过多种方式实现这一目标:

3D打印技术可以节约时间和成本,从而让我们的员工可以专注于其他问题,无需执行重复性任务。另外,与之前相比,3D打印技术能为我们提供更多更精确的方法和工具。

比如用于测试合适位置的模拟器零件和用于对齐部件的精密模具,这些都可以通过3D打印技术快速有效地制造。

Gjestvang说道:

这些优势提高了质量合格的门槛,也确保我们的工作不出差错。

 

 

图中的彩色部件是3D打印的模拟器,用于进行密合度测试。

 

 

图中的3D打印模具用于对齐管道,然后焊接到外壳上。

让传统制造成为历史

费力的人工铸造过程得以避免,但Sierra Space的工程师并不满足于此,他们想要完善该装置的原始设计,以进一步提高生产效率。减少材料的使用可以优化几何件的强度,并且,原始打印时间也预计减少了75%。这打开了3D打印的无限可能,没过多久,其他工程师都开始使用3D打印机了。

Gjestvang说道:

将3D打印技术引入公司内部,为设计师开启了新世界,他们可以在许多应用上都利用并发挥这项技术的优势。

据Gjestvang估计,除装置的生产项目外,目前约80%的3D打印用于其他项目,包括各种类型的模具、模型和模拟器的生产,其中模拟器是用在最终设计发布之前进行密合度检查或测试的常规尺寸零件。

Gjesvang补充道:

一旦公司拥有了这项技术,并且工程师可以使用该技术,他们就会找到不同于以往的解决方案。

与其他得益于FDM®技术的航空设备制造商一样,Sierra Space不愿再走上传统制造的老路。除了生产隔热片和不同类型模具,Gjestvang认为下一步是将合格的ULTEM™材料用于航空飞机零件的制造。

增材制造技术不仅是Sierra Space高效制造隔热板装置的最佳解决方案,并且从一开始就能确保万无一失。在太空中飞行是一场不可以有任何错误的的旅程。

源文摘自:Stratasys

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