性能一致!33D打印衛(wèi)星傳感器比傳統(tǒng)工藝制作更具成本優(yōu)勢(shì)
魔猴君 行業(yè)資訊 813天前
2022 年 7 月 31 日,麻省理工學(xué)院為軌道航天器制造了第一個(gè)完全 3D 打印的等離子體傳感器,它們極具成本效益。 這些等離子體傳感器,也稱為延遲電位分析儀 (RPA),被衛(wèi)星用來確定大氣的化學(xué)成分和離子能量分布。
△麻省理工經(jīng)過實(shí)驗(yàn),3D打印對(duì)比傳統(tǒng)工藝衛(wèi)星傳感器更具有成本優(yōu)勢(shì)
3D 打印和激光切割等離子傳感器具有相同的硬件性能,但后者是在潔凈室中制造的,因此價(jià)格昂貴且需要數(shù)周的復(fù)雜制造。 相比之下,3D 打印傳感器可以在幾天內(nèi)以數(shù)十美元的價(jià)格生產(chǎn)出來。
由于3D打印技術(shù)成本低、生產(chǎn)速度快,該技術(shù)非常適合制造衛(wèi)星傳感器。 這些廉價(jià)、低功率和輕便的衛(wèi)星通常用于地球高層大氣的通信和環(huán)境監(jiān)測(cè)。
△在RPA中,等離子體穿過一系列帶電的網(wǎng)格,網(wǎng)格上點(diǎn)綴著小孔。當(dāng)?shù)入x子體穿過每個(gè)網(wǎng)格時(shí),電子和其他粒子被剝離,直到只剩下離子。此圖顯示了網(wǎng)格如何安裝在RPA外殼內(nèi)
研究人員,使用一種玻璃陶瓷材料開發(fā)了RPA,這種材料比硅和薄膜涂層等傳統(tǒng)傳感器材料更耐用。通過將玻璃陶瓷用于為3D打印塑料而開發(fā)的制造工藝,他們能夠創(chuàng)造出具有復(fù)雜形狀的傳感器,能夠承受航天器在低地球軌道上遇到的廣泛溫度波動(dòng)。
麻省理工學(xué)院微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(MTL)的首席科學(xué)家,等離子體傳感器論文的高級(jí)作者Luis Fernando Velásquez-García 說:“3D打印技術(shù),可以為未來的空間硬件帶來巨大的變化。有些人認(rèn)為,當(dāng)你3D打印的東西,你必須犧牲一定的性能。但是,經(jīng)過我們證明,情況并非總是如此。有時(shí),沒什么不一樣的。”
多用途的傳感器
1959年,RPA首次被用于太空任務(wù)中。這些傳感器探測(cè)漂浮在等離子體中的離子或帶電粒子的能量,等離子體是存在于地球高層大氣中的分子的過熱混合物。在像立方體衛(wèi)星這樣的軌道航天器上,這些多功能的儀器測(cè)量能量并進(jìn)行化學(xué)分析,可以幫助科學(xué)家預(yù)測(cè)天氣或監(jiān)測(cè)氣候變化。
這些傳感器包含一系列帶電的網(wǎng)狀物,上面點(diǎn)綴著小孔。當(dāng)?shù)入x子體通過這些孔時(shí),電子和其他粒子被剝離,直到只剩下離子。這些離子產(chǎn)生電流,傳感器對(duì)其進(jìn)行測(cè)量和分析。
RPA成功的關(guān)鍵是對(duì)準(zhǔn)網(wǎng)格的外殼結(jié)構(gòu)。它必須是電絕緣的,同時(shí)也能承受溫度的突然劇烈波動(dòng)。研究人員使用了一種可打印的玻璃陶瓷材料,它顯示了這些特性,被稱為Vitrolite。
Vitrolite在20世紀(jì)初開創(chuàng)了先河,經(jīng)常被用于彩色瓷磚,成為裝飾藝術(shù)建筑中常見的景觀。
這種耐用的材料還可以承受高達(dá)800攝氏度的溫度而不分解,而用于半導(dǎo)體RPA的聚合物在400攝氏度時(shí)就開始融化。
Velásquez-García:“當(dāng)你在潔凈室中制作這種傳感器時(shí),你不能隨意按照自己的想法來設(shè)計(jì)它們的結(jié)構(gòu),但是3D打印突破了這項(xiàng)限制。”
△該圖顯示了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn),在該實(shí)驗(yàn)中,研究人員設(shè)置了他們的RPA,將其表征為離子能量分布傳感器
對(duì)制造的重新思考
陶瓷的3D打印過程通常涉及陶瓷粉末,用激光將其熔化成形狀,但這一過程往往使材料變得粗糙,并由于激光的高熱而產(chǎn)生薄弱點(diǎn)。
相反,麻省理工學(xué)院的研究人員使用了大桶聚合,這是幾十年前引入的一種用于聚合物或樹脂的增材制造的工藝。在大桶聚合法中,通過將三維結(jié)構(gòu)反復(fù)浸入液體材料的大桶中,在這種情況下是Vitrolite,一次建立一層。在每一層加入后,紫外線被用來固化材料,然后將平臺(tái)再次浸入大桶中。每一層的厚度只有100微米(大約是人類頭發(fā)的直徑),能夠創(chuàng)造出光滑、無孔隙的復(fù)雜陶瓷形狀。
在數(shù)字制造中,設(shè)計(jì)文件中描述的物體可以非常復(fù)雜。這種精度使研究人員能夠創(chuàng)建具有獨(dú)特形狀的激光切割網(wǎng)格,以便在RPA外殼內(nèi)設(shè)置孔時(shí)完美地排成一排。這使更多的離子能夠通過,從而導(dǎo)致更高分辨率的測(cè)量。
由于傳感器的生產(chǎn)成本很低,而且可以快速制造,該團(tuán)隊(duì)制作了四個(gè)獨(dú)特的設(shè)計(jì)原型。
其中一種設(shè)計(jì)在捕捉和測(cè)量廣泛的等離子體方面特別有效,就像衛(wèi)星在軌道上遇到的那些等離子體一樣,而另一種設(shè)計(jì)則非常適合于感應(yīng)極其密集和寒冷的等離子體,這些等離子體通常只能用超精密的半導(dǎo)體設(shè)備來測(cè)量。
這種高精度可以使3D打印的傳感器,應(yīng)用于聚變能源研究或超音速飛行。Velásquez-García補(bǔ)充說,獲得了快速原型制作能后,甚至可以刺激衛(wèi)星和航天器設(shè)計(jì)方面的更多創(chuàng)新。
"如果你想創(chuàng)新,你需要能夠失敗并承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)。3D打印技術(shù)是制造太空硬件的一種不可或缺的方式。我可以制造太空硬件,如果它失敗了,也沒有關(guān)系,因?yàn)槲铱梢苑浅?焖俸土畠r(jià)地制造一個(gè)新的版本,并真正迭代設(shè)計(jì)。他說:"這對(duì)研究人員來說是一個(gè)理想的設(shè)計(jì)模式。
雖然Velásquez-García對(duì)這些傳感器很滿意,但在未來,他希望繼續(xù)改進(jìn)該工藝。在玻璃陶瓷大桶聚合中減少層的厚度或像素大小,可以創(chuàng)造出更加精確的復(fù)雜硬件。此外,完全采用3D打印的傳感器將使它們與空間制造兼容。他還希望探索使用人工智能來優(yōu)化傳感器的設(shè)計(jì),以滿足特定的使用情況,例如大大減少其質(zhì)量,同時(shí)確保它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上保持良好。
來源:https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/guowaikuaidi/42892.html