【導讀】目前，所有航天器都經(jīng)過研制、測試和組裝，然后由火箭運送到各自的任務地點。每個部件必須承受火箭發(fā)射的高負荷，而實際任務的載荷通常相對較低。由于系統(tǒng)重量和體積大以及火箭飛行所需的復雜測試程序，這些超大部件會導致高昂的太空運輸成本。為了降低這些成本，可以使用增材制造方法直接在軌道上制造和使用航天器部件。
基于這一想法，慕尼黑應用科學大學的八名學生組成的團隊決定設(shè)計一種 3D 打印技術(shù)，通過該技術(shù)，可以直接在太空中為太陽能電池板、天線或任何其他裝置構(gòu)建結(jié)構(gòu)。他們命名為"AIMIS-FYT – 太空增材制造 AIMIS "，他們決定采用一種印刷方法，用紫外光擠出和固化光反應樹脂。
應用程序
設(shè)備基本上包括一個主要結(jié)構(gòu)，有一個笛卡爾3D打印運動安裝在里面。打印機有兩個平移軸和一個旋轉(zhuǎn)軸。因此，打印機可以在一個固定平面上移動和旋轉(zhuǎn)。這使系統(tǒng)能夠創(chuàng)建自由格式結(jié)構(gòu)。打印頭是團隊實驗的主力，由步進電機驅(qū)動的擠出機組成，在零重力下分配粘性樹脂。在擠出過程中，樹脂同時被噴嘴后面的紫外光固化。
AIMIS-FYT 解釋了它是如何工作的："在我們的工藝中，我們使用所謂的"光聚合物的直接機器人擠出"。它基本上由擠出機組成，通過擠出機可以分配粘性光聚合物。這允許樹脂通過噴嘴噴射，然后通過紫外線固化。通過外部移動噴嘴，可以生成三維結(jié)構(gòu)。在我們的案例中，這不是像傳統(tǒng) 3D打印機那樣一層一層地完成，而是直接通過三維運動與樹脂的體積拉伸相結(jié)合。
解決挑戰(zhàn)
與傳統(tǒng)的 FDM 打印機不同，AIMIS-FYT 使用的打印工藝采用 UV 固化樹脂。這種樹脂需要以可控和非常精確的方式分配，以便產(chǎn)生 3D 結(jié)構(gòu)。為了滿足這些要求，使用帶精確步進電機的擠出機。此外，整個設(shè)置需要放入一個小隔間，并可用于團隊的軟件。
為了充分利用步進電機的優(yōu)勢，團隊決定使用Trinamic的TMCM-1070模塊。"經(jīng)過短暫的研究，我們碰到了三元驅(qū)動模塊TMCM-1070。此驅(qū)動程序模塊易于使用，通過步進和方向接口控制，占用空間非常小，是一個可靠的解決方案。此外，該模塊位于一個盒子里，很容易符合我們在零-G飛機上的實驗設(shè)置要求，"慕尼黑的團隊說。
第一個結(jié)果
實驗基于四個基本操作，這些操作已確定為微重力的印刷結(jié)構(gòu)（如架結(jié)構(gòu)）。它們根據(jù)不斷增加的復雜性進行排序，如下：
● 直桿
● 帶起點/停止點的直桿
● 自由形桿
● 桿之間的連接
通過組合這些基本操作，將來應該能夠直接在太空中創(chuàng)建任何自定義結(jié)構(gòu)元素。
零重力測試
2019年11月，AIMIS-FYT團隊入選 FlyYourThesis2020！歐洲航天局（ESA）的一項計劃，允許大學生在幾次拋物線飛行期間在微重力條件下進行科學和技術(shù)實驗。在整個2020年11月在法國波爾多的飛行過程中，來自慕尼黑的團隊共有90個拋物線測試他們的技術(shù)。在每個拋物線期間，它們將和打印機一起在零重力下漂浮約 20 秒。
在三個飛行日，總共將飛行90個拋物線，因此，我們可以進行總共90次實驗。實驗分為上述四個基本操作，在每個基本函數(shù)中，我們測試不同的參數(shù)，以確定它們對印刷過程的影響。因此，我們?yōu)閷嶒炁鋫淞烁鞣N傳感器，如熱像儀、氣壓傳感器、溫度傳感器等。目標是打印各種尺寸和形狀的90根棒，然后進行詳細分析。實驗結(jié)果將進一步優(yōu)化印刷工藝，證明我們的增材制造方法在微重力條件下有效。將來，這項技術(shù)可以進一步改進，甚至可能在太空中進行測試。這項技術(shù)為大幅降低衛(wèi)星和其他空間飛行任務的成本提供了機會。
【AIMIS-FYT團隊: Julius Frick, Christoph Boehrer, Manuel Kullmann, Michael Kringer, Moritz Frey, Fabian Schill, Torben Schaefer, Maximilian Strasser】
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