美国橡树岭国家实验室与美国宇航局 3D打印月球车车轮原型

据报道，美国能源部橡树岭国家实验室ORNL的研究人员与美国国家航空航天局(NASA)合作，3D打印出与美国国家航空航天局机器人月球车设计相同的车轮，将增材制造推向了最新的研究前沿，展示了太空探索所需专用部件的技术。

这个增材制造的轮子是在美国国家航空航天局计划于2024年发射的一种移动机器人“挥发性物质调查极地探索漫游者”(VIPER)现有的轻型轮子的基础上制造的，该机器人将用于绘制月球南极的冰和其他潜在资源。该任务的目的是帮助确定月球水的来源和分布。

虽然在ORNL的美国能源部（DOE）的制造示范设施（MDF）打印的原型车轮实际上不会用于美国国家航空航天局的月球任务，但它的设计符合美国国家航空航天局为VIPER制造的车轮的相同设计规范。在将这项技术用于未来的月球或火星探测器或考虑将其用于其他空间应用（如大型结构部件）之前，计划进行其他的测试以验证设计和制造方法。

NASA机械设计工程师哈根和ORNL研究员布里什在制造示范设施 (MDF)中检查一个3D打印的月球车车轮原型

增材制造可以减少能源使用、材料浪费和交货时间，同时实现设计复杂性和材料特性的定制。MDF处于这项工作的前沿，十多年来一直在开发这项技术，用于清洁能源、运输和制造业等领域的广泛应用。MDF研究人员于2022年秋季在ORNL打印了月球车车轮原型。一台专门的3D打印机使用两个协调的激光器和一个旋转的构建板来选择性地将金属粉末熔化成设计的形状。

传统金属粉末床系统是分步骤操作的：在一个橱柜大小的机器中，他们在固定板上耙出一层粉末。然后激光有选择地熔化一层，然后再稍微降低，重复这个过程。负责MDF新型激光粉末床融合系统开发的皮特表示，用于月球车车轮原型的打印机足够大，可以容纳一个人进入，并且在打印大型物体的同时其连续进行的能力是独一无二的。

尽管可以为车轮提供更复杂的辐条图案和辐条锁定功能，但3D打印简化了车轮设计并降低了成本，并使最终组装更加容易

增材制造可以实现精细的设计细节，例如在圆顶形状上的波浪花纹，被整合到原型月球轮中

皮特表示，在相同的激光功率下，这大大提高了生产率，沉积速度提高了50%，而且只是触及了系统功能的表面。研究人员认为这将是激光粉末床打印的未来，特别是在大规模生产中。

虽然这台机器是独一无二的，但项目成功的关键是研究人员在过程自动化和机器控制方面的专业知识。他们使用ORNL开发的软件将车轮设计“切片”成垂直层，然后平衡两个激光器之间的工作量以均匀打印，实现高生产率。

车轮原型是该系统生产的首批部件之一，它展示了跨部门合作的价值。与美国国家航空航天局合作的项目确实推动了这项技术的发展，负责ORNL月球车车轮项目的研究人员布莱恩·吉布森表示，他称制造出具有太空探索应用的原型组件，这是一个里程碑。

原型车轮由镍基合金制成，宽约8英寸（约0.2米），直径约20英寸（约0.5米），比用金属粉末床系统打印的部件大得多。制作它需要在一个大的工作区域内打印小的几何特征。吉布森表示，增材制造在不增加成本或制造难度的情况下，提高了轮辋设计的复杂性。

相比之下，明年将在月球尘埃中翻滚的四个VIPER车轮需要多个制造过程和组装步骤。VIPER的50块轮辋由360个铆接接头连接在一起。为了满足任务的严格要求，制造过程需要复杂和耗时的加工。

在短短几天内，ORNL的研究人员使用粉末床打印技术根据NASA的设计制造了这个月球车车轮

如果美国国家航空航天局的测试证明3D打印的原型车轮和传统制造的轮子一样坚固，未来的火星车可以使用一个ORNL花40个小时制造的轮辋来代替。通过这个项目，ORNL和NASA的工程师们还探索了打印精确的设计特征，如倾斜的侧壁，圆顶形状和波浪花纹，以增加车轮的刚度。

美国国家航空航天局计划在美国国家航空航天局约翰逊航天中心的岩石场中测试3D打印车轮在月球车上的性能。评估人员将评估轮子的机动性、旋转阻力、侧滑、爬坡和其他性能指标。

哈根表示，增材制造提供了快速更新设计以响应测试的优势。它还可以在不增加弱点的情况下加入更复杂的东西，比如悬挂系统。

哈根还认为，作为美国国家航空航天局“阿尔忒弥斯计划”的一部分，月球上的载人研究站将需要具备离地制造能力。他说:“能够在太空中制造零件进行维修将是很重要的，因为你根本无法获得足够的备件。用于打印的粉末、颗粒或长丝更容易包装，并且具有更大的灵活性。”