空间是附加制造的最初前沿。这是AM最有意义的地方，也是它从一开始就最必威手机注册有意义的地方。作为公司结构、机械和材料部门的负责人欧洲航天局托马索·吉迪尼博士负责在欧空局鉴定和完善用于空间探索的添加剂制造。必威手机注册
他的部门为目前正在飞行的所有任务提供工程支持，从通信卫星到深空科学任务，到其他星球的探索任务，到人类太空飞行，到将有效载荷和宇航员送入太空的火箭。在加入欧空局之前，Ghidini博士为空客公司工作，参与欧洲航空工业的所有主要民用和军用项目，包括A380、A350和A400M飞机。
这一经验有助于在过去十年中运行大量的添加剂制造项目和测试。正如吉迪尼博士在这次独家且广泛的采访中所解释的那样，当欧空局的科学家和工程师必威手机注册们了解他们可以用AM做什么的时候，一个充满可能性的宇宙打开了。欧空局的增材制造技术是使人类太空旅行首先更容易获得，然后更经济实惠的一项使能技术。从地球到轨道，从轨道到深空，然后到其他行星的表面。
结构、机制和材料司是欧空局最大的部门，有一百多名工作人员。必威手机注册欧空局的增材制造获得了很大一部分资金，所有22个成员国都支持欧空局清楚地了解其重要性。这个部门的工作范围很广，从任务设计阶段就开始了。在确定特定任务所需的物理硬件后，该司就大量硬件交互以及所有可能的系统和子系统提供支助、工程服务和复杂的数值和实验分析。
“一旦设计被‘认可’了，我们就开始生产它，”Ghidini博士告诉3dpbm。这意味着支持制造商对任何结构的所有材料、工艺、系统、子系统和电子设备进行鉴定。他解释说:“如果出现问题——因为有时确实会出现问题——我们就会作为一个完全独立和公正的权威机构，进行量身定制的故障调查，有点像‘太空犯罪现场调查’。”
一旦航天器建成，所有可能的故障都得到解决，关键时刻就来了：全面测试。“在过去，我们的责任以发射阶段和运行结束。我们现在增加了‘转管设计’能力，这意味着我们不仅需要确保航天器能够执行任务——发射、到达太空或行星，并运行任何需要的年数——而且还需要保证最后，飞船将在返回地球时解体。”
除了日常工作之外，Ghidini博士的部门还致力于确定未来任务所需的技术。“我们对市场进行筛选，以确定技术，然后将其成熟，用于太空应用。”AM就是这样出现的。如果你喜欢加法，又对太空着迷，那就系好安全带，舒服点吧:这将是一次远离这个世界的旅行。
从案例研究到标准化
AM是如何在欧空局开始其旅程的，这是一个引人入胜的故事，许多AM的采用者都能联想到。“它可以追溯到2006年，一开始就失败了，”吉迪尼博士告诉我们。“国际空间站（ISS）出现了一个重大异常。哥伦布舱中的水泵开/关阀出现故障。该阀极为重要，因为它可以调节温度。国际空间站在阳光下时温度从+180°C上升到地球阴影下时的-180°C：360°C的温度梯度。我们需要将空间站内部的温度保持在22°C，以适应t他是飞船上的宇航员。所以，我们让航天飞机把阀门带回地球并送到我们的实验室进行调查。我们了解了问题并解决了它。就是这样。与添加剂无关。它与添加剂有关的是，从制造的角度来看，那个特殊的阀门是一个理想的案例研究来尝试这个新技术。”
当时，ESA的塑料添加剂制造被用于原型，但必威手机注册金属仍处于早期。ESA与空中客车配合，并决定将其用作案例研究。“我们对结果感到震惊。从减肥到添加剂，我们将材料浪费减少75％至5％。使用如此少的材料，它使从不锈钢转向钛的经济意义，这更昂贵，但也具有优异的重量与强度比。“部分重量减少了50％，制造时间减少了几个小时。而不是将两件焊接在一起，这将需要额外的检查，它是一步建立的。“所以，在某种程度上，我们赢了。但是，“Ghidini博士承认，”我们没有。“
这是第二次失败的故事：在接近3D打印时常见错误。“我们只是复制了旧设计，”Ghidini博士说。“我们像它一样再现阀门。真正受益于AM，特别是在太空应用中，您需要为上午设计设计。“
Ghidini博士继续说道:“当我们吸取教训的时候，我们第一次意识到，我们能够接触到一种制造技术，使我们能够从为制造而设计转向为性能而设计:就像大自然母亲所做的那样，不断增长。我们意识到我们可以把材料分配到负载所在的地方。我们知道，我们可以大幅降低质量，这是任何需要被送入轨道的部件的关键优先事项。”
每公斤批量发射到太空中的成本在成千上万的成本之间，取决于距离地球的距离。此外，发射器还有有限的空间。所以，零件越小，越好。然而，使小部件也意味着更复杂的几何形状和更难的采样材料。
“材料供应链对我们来说非常具有挑战性，因为我们需要非常高的性能和非常小的数量，”吉迪尼博士解释说。“我们正在飞往太阳和外行星。我们正在其他行星着陆。我们的任务需要在极其恶劣的环境中运行多年。而且我们的生产规模非常有限。此外，几乎没有制造工艺能够达到我们想要的性能，加上非常高的可靠性可靠性。一旦零件进入太空，它就不见了。它可能需要连续工作几十年，而无需任何维护或维修。”
添加剂为所有这些挑战提供了一个可能的解决方案。首先，因为它在一小部分复杂的部件上工作得很好。它也适用于各种各样的材料:从金属和聚合物，复合材料和陶瓷，到食物，细胞(生物打印)，混凝土和地聚合物。你现在可以在微米到米大小的结构上使用AM。通过对非常复杂的组件的压缩制造链，AM可以将重量降低高达90%，缩短数周的交货时间。通过去除螺栓和焊缝，现在可以生产传统制造方式无法生产的结构，甚至可以在结构中嵌入新的功能，如热功能。
“例如，考虑今天推进器的推进器是由近200份需要组装的，”Ghidini博士说。“现在你可以在一件中完成推进器。”但并非所有闪耀的一切都是黄金。“当我们看到巨大的利益时，我们也开始识别可能的问题，”他补充道。“一个人想要使用添加剂，因为一切都是反效率。所以，我们的工作中的一大部分是决定使用它的意义。“
路线图的空间
它花了一些时间来确保AM对空间是可靠的。如果因为增材制造失败而导致火箭爆炸或卫星丢失，在早期就会扼杀这项技术。必威手机注册今天，附加部件正在飞行，因为欧洲航天局已经成功地从演示转向飞行任务。但这条路并不是那么清晰。“一开始，我们看到了一个可怕的迅速发展的效应:每个人都自称是AM专家。我们意识到我们需要在欧洲有一个集中的战略，所以我们创建了欧洲空间应用增材制造路线图。必威手机注册所有欧洲伙伴都做出了贡献，欧空局担任了主席。”
该路线图详细说明了添加剂制造安全使用所需的时间表和要求。必威手机注册它还解决了需要解决的主要问题，如尺寸和设计挑战。“我们注意到，考虑到复杂性、残余应力和制造策略，我们没有设计指南，也没有从CAD、CAE到拓扑优化，然后再到制造的端到端工具。”另一个挑战与材料有关:粉末质量控制、供应链和粉末的可重复质量。Ghidini博士说:“我们需要保证我们的制造伙伴有一个统一的标准质量。”“然后我们转向了制造挑战:过程监控、加工策略、表面处理和表面工程等后处理。”
让添加剂制造在必威手机注册ESA中发挥作用
另一个关键问题是鉴定和验证策略，包括机械特性、数值预测、疲劳分析和无损检测（NDI）。Ghidini博士解释说：“一旦我们确定了鉴定零件的策略，我们就转向了标准化。”。“我们利用了欧洲空间标准化联盟ECSS。我的部门领导了这项AM空间标准，我们将在今年发布。”
任何行业都可以采用这些标准。对于不太极端的条件，可以降低要求，但该文件提供了如何使用和测试AM部件的明确指南。他补充道：“制定一个标准程序可能会很有用。”。“我们提供了一种理想的方法，可以根据特定需求进行定制，并将有助于进一步占领AM市场。”
为了通过集中、综合和战略方法实施路线图，欧空局创建了两个ESA增必威手机注册材制造基准中心:一个是在考文垂的MTC，英国。另一个在德国德累斯顿的弗劳恩霍夫研究所。Ghidini博士说:“我们解决了所有需要为特定用途解决的基本挑战。”“如果你是一家航天行业的公司，想要实施AM，你可以找到一个拥有所有机器、所有技术和所有材料的中心，来帮助你成熟你的过程或空间应用。”
Ghidini博士的部门还绘制了欧洲AM粉生产商的地图。“我们检查了他们在可重复性、尺寸、形状和粉末成分方面能够达到的质量。然后，在同一台机器上，用相同的参数，我们生产相同的样品，看看不同的粉末对不同的材料表现如何。我们提出了一套空间级添加剂制造粉末的采购规范。”必威手机注册另一个工具是基于已知断裂模式(如静态过载、疲劳、腐蚀和应力腐蚀开裂)的增材制造零件的断口图谱。必威手机注册“为此，我们系统地拍摄了断裂表面的照片，以便指导工程师开启冶金学的全新篇章。”
在ESA到新世必威手机注册界的添加剂制造
欧空局系统地确定了AM在空间的可能应用，将它们分为三个领域。第一种是地球上的增材制造。必威手机注册也就是说，为地球上的航天器和火箭优化零部件的生产。第二种是轨道上的增材制造——必威手机注册比如在国际空间站上。最后是在其他星球(如月球必威手机注册或火星)上的增材制造。每一种都有非常不同的要求，但有时会有异花受精的机会。
要考虑的第一个应用是结构应用。这就是吉迪尼博士的部门在提高机械性能的同时大幅降低买飞比的地方。他告诉3dpbm：“我们从二级结构开始，如果它们失效，不会造成灾难性的损失，比如支架。”。“现在，我们越来越有信心，也在解决初级结构问题。”
为了进一步开发重量优化的晶格结构，迈空的第一步是询问空中客车审查整个火箭系列，Ariane，并识别申请的地方。结果指向每个发射器中的20至25个括号，共成本节省超过30％以上。然后原子能机构看着太空推进。这就是ESA的添加剂制造的地必威手机注册方可以通过大大减少部分计数（在推动者的情况下，从近200到200到一个时）和产生非常复杂的结构，例如具有传统制造过程的通道的喷射器头部可以产生或嵌入式散热器的排气锥，以最佳散热。
2015年，欧空局和空客开始生产有史以来第一个3D打印白金燃烧室．铂金是一种用于推进的理想材料，然而，在传统制造中使用是不切实际的，因为物质废物（和相对成本），并且因为锻造和治疗非常困难。AM的另一个关键空间应用是射频（RF）设备。优点包括质量减少（高达50％）并消除了对子组件的需求。“考虑的关键方面是几何，”Ghidini博士补充道。“用于传输数据的天线不应具有尖锐的边缘。随着我可以在一个地上建造天线，并具有理想的几何形状以获得最佳的RF性能。“
在主要结构方面，欧空局正在与弗劳恩霍夫研究所合作，研究将AM部件用于雅典娜X射线天文台镜面结构的可能性。雅典娜X射线天文台是一台将于2031年发射的用于空间研究的超级望远镜。他说：“我们测试了一种混合快速等离子沉积（RPD）技术，一种线弧添加剂制造（WAAM）工艺，并将其与减法系统相结合，以生产米长的零件。”必威手机注册
AM部件现在已为欧空局的多项任务确定了基线。第一批集成附加部件的卫星包括量子通信卫星Sentinel-4和仅使用电力推进的地球静止卫星Electra。很快就会有零件飞到飞机上JUpiter冰卫星探测器任务，于2022年发射到木星系统（并于2029年到达）。Vega-E、Ariane6和Ariane5火箭也集成了AM部件。2016年安装在Ariane5上的第一个部件是一个万向节十字架：这是Ariane5第一级Vulcain 2低温发动机排气管中的一个结构部件。VEGA E开发成功地对一个AM推力室进行了燃烧测试，该推力室由液氧-甲烷推进剂供给。
3D打印技术将留在太空
必威手机注册太空增材制造正在迅速成为现实，最合理的下一步是在轨道上使用它。为什么?“看看阿波罗13号，”Ghidini博士回答说。“如果他们在船上有一个3D打印机，他们就可以打印出二氧化碳过滤器的适配器，一切就会容易得多。当然，他们做到了，但长期任务的替换部件问题仍然存在。”在过去的几年里，两台聚合物挤压3D打印机一直在国际空间站上运行。欧洲航天局也在为太空建造一个金属3D打印机。Ghidini博士指出:“聚合物是有意义的，因为在零重力下没有负载，但我们也想拥有金属打印能力。”“飞船的金属部件确实会出现故障，我们需要有修复的机会。”这些功能将是特别重要的深太空网关等任务(现在称为月球轨道Platform-Gateway或LOP-G),这是空间站绕着月亮,明天将在2024年做好准备,所以实际上——然后载人火星任务。
如果没有3D打印功能，深空任务将是不可想象的。他补充道：“这是一项完全可行的技术，尤其是对金属而言，因为不可能携带所有的备件，而且宇航员可能需要工具来应对特定和不可预测的情况，在这些情况下，标准工具无法工作。”。“在国际空间站上，金属3D打印还意味着可以直接在轨道上制造卫星，而不是发射卫星。我们可以生产和部署立方体卫星，而无需从地球上发射卫星。甚至可以扩展已经在轨道上的结构。”
虽然德国航空航天中心目前正在研究一种用于太空的金属PBF 3D打印机，但这种金属粉末确实带来了一系列挑战和考虑。这就是为什么吉迪尼博士的团队还在研制一种基于金属丝的3D打印机，该打印机将于明年推出。这个想法是在地球上制作样品，然后把打印机送到太空，用相同的参数打印相同的零件。通过比较这些部件，将有可能了解在轨道上可以实现的质量。“从长远来看，这确实会改变我们在太空中的工作方式，”他总结道。
地球外制造
“地球外制造”是一个项目，它涵盖了我们星球上可以生产的一切：月球、卫星或火星上。这是一个计划，其中包括将由火星和月球表土建造的基地，将我们带入空间AM应用的第三个领域：行星制造。吉迪尼博士的团队在火星和月球风化层模拟物上进行了测试．对于月球基地，他们建造了一个1.5吨重的演示器，并正在考虑两种可能的方法:利用太阳来烧结风化层粉末或磷酸来粘合它。火星上有磷酸，但月球上没有。这还不是全部。
月球表土作为一种陶瓷被研究用于3D打印，但吉迪尼博士的实验室也发现，铝、钛、钢和硅可以从中提取出来，释放出氧气。吉迪尼博士说：“这当然不是一个副产品，因为它是太空中的一个基本产品。”。“想象一下，有无限量的钛，一种非常贵的金属，你可以用它来建造结构；铝，也非常贵；铁；和硅，用于电子元件的生产。这意味着有制造能力和资源可在现场使用，同时生产供宇航员呼吸的氧气。”
Ghidini博士的团队也在研究提取，目的是作为一种循环生产的形式。“一个行星着陆器在着陆后就耗尽了它的功能，”他解释道。“它变成了地球表面的一块垃圾。我们可以从它中提取所有的金属和聚合物，并将它们重新打印成新的结构，用于任务的新阶段。材料的性质会衰减，”他指出。“但这并不重要，只要我们在设计新结构时考虑到这一点。”
“地球外制造”需要考虑的最后一类材料，或许也是最重要的一类是生物材料。Ghidini博士所在部门的一个团队利用干细胞，在负1g的条件下(倒置)生物打印了皮肤、骨组织和血管系统，以证明该过程也可以在零g的条件下工作。“我们用来将细胞粘在一起的粘合剂是来自藻类的藻酸盐，”他说。他指出，藻酸盐可以从前往火星或直接在火星上生长的植物中产生。宇航员的干细胞还将被用来制造组织，并将它们暴露在与火星之旅相同的高水平辐射中，甚至更长时间，以在不暴露于任何风险的情况下描述它们的反应。这些信息将被用于开发治疗细胞损伤的药物，通过个性化的医学方法，这在地球上也是一个强大的趋势。
如果宇航员在火星表面的舱外活动（EVA）中受伤，则需要打印骨骼和皮肤来治疗他们，或者治疗因船上意外火灾造成的烧伤。由于天体动力学的原因，前往火星的任务不能中止：一旦起飞，宇航员将不得不进行为期两年的全程旅行，这意味着如果他们受伤，他们需要能够自我修复。
大规模生产:最后的前沿
在不久的将来，欧空局正致力于发展当前的AM流程，并实施未来的AM应用。“考虑到可制造性、支撑结构、残余应力和建筑策略方面的所有限制，我们将继续致力于完全集成的设计和制造工具，从CAD到拓扑优化，再到AM过程。我们希望制定设计指南和手册，以帮助设计师。在在材料方面，我们将继续在原料、粉末和供应链控制方面开展工作。我们希望在太空AM中引入金属粉末回收，这是我们需要解决的问题，以进一步提高成本效率，”吉迪尼博士解释说。
新材料开发将更加具体。例如，使铝更便宜、更强，以及抗应力腐蚀开裂。或者开发硅含量高达40-50%的铝，用于镜子和其他高稳定性结构。AM专用钛合金将在3D打印过程中变得更加坚固。目前正在研究用于低温和化学推进应用的铜合金，使用绿色激光对其进行处理。AM的一个全新领域是金属玻璃复合材料。“由于其稳定性和刚度，这些材料非常有希望用于太空，”吉迪尼博士说。“我们希望将其用于添加剂制造，并将其用于非常持久的机制中，以实现‘无限寿命’。”必威手机注册
随着科学和小说之间的界限越来越窄，吉迪尼博士的团队现在正寻求通过使用4D打印技术来开发合规机制和执行器。“这是一大步，”他承认。“我们可以3D打印由温度激活的形状记忆合金。这将允许我们发射一个折叠结构，该结构可以很容易地包含在一个小空间中，以便在达到所需温度时展开。相比之下，为了在太空部署复杂结构，今天我们使用昂贵的重型发动机或危险装置这些系统依赖于它们的可靠性，它们可能会失败。另一方面，记忆合金将永远工作，因为它们只依赖于物理。”
最后一个领域是批量生产。由于非常有限的批处理要求，Space成为AM的第一个采用者。但随着卫星网络变成更大的星座，这种情况正在改变。“没有汽车那么大，但更接近航空运输量，”Ghidini博士承认。这开启了一个全新的挑战和机遇，使欧空局更接近地球的AM挑战。他补充说:“我们将需要更先进的人工智能来实现机器学习过程监控，以及更先进的NDI能力，所有这些都将与制造业中对网络安全的更严格要求相结合。”标准化也将变得越来越重要。
后处理、表面工程、使用3D打印修复AM和非AM零件、非常复杂零件的精加工能力：这些都是ESA关注的关键领域。“我的梦想是让一台机器在评估过程中进行评估——评估对部件疲劳寿命的影响，并决定是进行维修还是接受零件的现状。”这是通过在零件评估中引入概率方法实现的。吉迪尼博士说：“我们与米兰理工大学共同开发了一个名为ProFACE的软件，我们将使用该软件对额外制造的零件进行结构评估。”。“它从AM部件的可能缺陷开始，根据故障概率评估部件的寿命。这是一种进行数值评估的全新方法。”
为了大胆地探索AM部件之前从未涉足过的领域，ESA将向该行业寻求更快的机器、智能制造和数字孪生能力、建模模拟和自动检查。这是一个整个AM行业都能联想到的故事，因为它正在帮助人类实现最激动人心的里程碑之一:人类在太空定居。
这篇文章最初出现在3dpbm的必威体育亚洲AM聚焦航空航天电子书AM. 通读整期这里．
