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火星探测器的制造挑战

来源:国际金属加工商情 发布时间:2021-03-10 760
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“毅力号”火星探测器上有一个关键设备需要五个零部件,而这些零部件只能通过增材制造技术来制造。Carpenter 增材制造公司克服种种障碍,成功制造出了它们。

美国东部时间2月18日15时55分许,美国“毅力号”火星车成功登陆火星,并传回多张火星照片。“毅力号”成为美国国家航空航天局(NASA)第5个成功登陆的火星车。在这台火星车上携带着一款关键性仪器,如果没有增材制造技术,它是制造不出来的。作为NASA火星探索计划的一部分,该任务于2020年7月启动,旨在解决火星探索任务中的优先性的科学目标,比如“火星上是否存在生命”这个重大的天体生物学问题。用于行星X射线延时精密化学测试仪(PIXL)对这项任务至关重要。


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图 1:PIXL 将被安装在“毅力号”悬臂的末端,用于分析火星表面岩石的化学组成。图片来源:NASA/JPL-CALTECH


NASA喷气推进实验室(JPL)的工程师们在设计仪器时,将全部注意力集中在零部件的功能,而非传统的可制造性上。只有在团队构思出能够执行所需功能的最佳设计后,才会考虑怎么制造这些零部件。这款PIXL中有很多特别设计,让团队无法以传统的制造方法制造。于是JPL团队向Carpenter增材制造公司提出,希望利用粉末床融熔技术来制造这些关键的零部件。


聚焦功能的设计


就像“毅力号”其他部分一样,用于PIXL的设计必须能够承受发射后7个月在冰冷的太空中旅行,然后在火星上硬着陆。该项目负责人、Carpenter增材制造公司增材制造技术总监KenDavis先生表示:“这些零部件必须承受得住冲击力,之后还能展开各种精确的实验。”一旦到达火星,火星探测器及其搭载的仪器将经受长达两年的冷热温差、沙尘暴和岩石地形的考验。


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图 2:这台 PIXL 外机架由 5 个 3D 打印零部件组成:薄壁的前盖和后盖,中空框架,以及 X 光机的台架和支架。图片来源: Carpenter 增材制造公司


由Carpenter增材制造公司生产的零部件中,共有5个3D打印件:一个大的薄壁前盖;一个深的薄壁后盖;一个安装架;还有一个X光机的台架和一个支架。这些部件的壁厚处于1至1.1mm之间。复杂的表面上,一些区域向外凸出,而另一些区域向内凹陷。为确保零部件不失效,Carpenter增材制造公司每款零部件都得交付几套:一个飞行部件,一个测试部件,以及一个或多个用于NASA破坏性测试分析的备件。


这款PIXL必须满足指定的重量要求。所有部件的重量都必须低于绝对最大重量,否则将无法发射。因此在整个设计过程中,重量一直都是首要的考虑因素。


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图 3:Carpenter 增材制造公司开发出一个制造计划,将增材、减材制造方法以及各种其他技术相结合,还设置了对每个步骤进行检验的程序。图片来源:Carpenter 增材制造公司


基于粉末床熔融的工艺


通过将增、减材技术与创新的表面抛光技术相结合,Carpenter团队为这款PIXL关键部件拟了一个制造计划。在制造过程中,Carpenter团队选择了电子束粉末床熔融(EB-PBF)技术。人们通常认为激光粉末床熔融(L-PBF)技术能够实现薄壁、精细特性和光滑表面,其实EB-PBF在加工更大的零件方面更出色,加上EB-PBF技术其他工艺优势,使得团队最终做出了这个选择。


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图 4:这两个前盖零部件即将被运去做热等静压。图片来源:Carpenter 增材制造公司


这是个热加工流程。零部件在电子束焊室中的高温下,包裹在粉末中,在12小时内缓慢冷却,消除残余应力。此外,粉末床在流程中本身就处于半烧结状态,可以在构建过程中作为支架使用。对于PIXL零部件而言,这消除了打印额外配件的需要,也不会出现超出规格要求的风险。


对强度和重量要求综合考量后,需要用到钛金属。为了改善机械性能,最终,Carpenter团队选择了Carpenter增材制造公司的Ti6Al-4V等级5+。该材料具有较高的强度和良好的延展性,在制造高应力、非常薄的零件时,可以实现最低15%的伸展率和最低135ksi的屈服强度。


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图 5:在一些零部件上加半永久支架,就能在后期处理步骤中架起零部件。图 片来源:Carpenter 增材制造公司


在3D打印流程之后,仍然包裹在粉末中的零件会通过热等静压,随后脱模、去除支架,做超声波粉末去除,化学铣削,机械精加工和最终加工。3D扫描检验对每个工艺步骤后的结果起着至关重要的作用。


Davis解释说,“我们必须清楚零件是否偏离了最初设计,偏离了多少,以便追踪。我们使用热等静压机来均匀微观结构,但这是一个高温流程,可能会使零件变形,因此我们必须再做3D扫描检测。抛光和喷砂能够使零部件表面光滑,但有可能改变其尺寸特征,也需要我们再次返回检测程序。”


架构挑战


Carpenter团队在这一过程中克服了种种挑战:比例因子。电子束粉末层熔融过程是一个加热、膨胀、熔化、固结、凝固、收缩的复杂过程。但它并不是线性的,团队必须考虑所有比例因子,比如在打印过程中,打印室的温度是不断变化的,如果完全不了解这一点,那么零部件的特性就有可能偏离既定模型,超出公差。


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图 6:除了所需的高精度外,制造 PIXL 零部件还要求非常精准的加工细节。图片来源:NASA/JPL-Caltech


因为经常需要在粉末床内旋转零部件以获得最佳打印方向,所以零部件不能完全对应上每个正交轴。零部件一个轴的尺寸在打印机中其实是多个轴的复合,X、Y、Z轴的几个比例因子决定了其尺寸精度,而且与通常用电子束熔融制成的零部件相比,PIXL零部件的薄壁不会产生大量的热量聚集,如果不认真考虑这些因素,就会导致初始部件“比例过大”,打印出过大的成品。


支架。永久和半永久刚性支架是整个开发过程中的重点。在粉末床熔融过程中,支架可作为热分流散热器,使熔池快速凝固。它们可以防止零件因热应力而移动或变形,可以支撑突出的部分。采用半永久支架,通过几个后处理操作来保护零件,可以防止薄壁结构在热等解压过程中变形,在加工关键表面时夹紧表面,并在化学铣削过程中将零部件吊起来。


粉末去除。Carpenter团队利用超声波技术,在零部件上的换能器找到内部粉末饼的固有频率,然后分离并去除粉末。然而,超声波处理也带来了一些技术挑战,因为粉末饼的固有频率会随着它的分解不断变化,需要不断重新调频,直至所有粉末都被分解、去除完毕。


化学铣削。化学铣削可以改善零件表面光洁度、减薄壁厚,以及冲洗,确保所有残留粉末都被清除。


运往火星途中的最后一批零部件


这款PIXL是Carpenter团队所遇到的最具挑战性的零部件之一。在严格的重量要求下,Carpenter团队最终只给7.26千克的零件中增加了22克重量,并提高了可制造性。


Carpenter团队成功地在确定参数内开发出了最终用于“毅力号”火星飞船的零部件,尽管在此过程中需要多次迭代⸺整个过程共耗时18个月,而非团队期望的6个月。在此期间,团队反复尝试、失败,并从这些教训中学习并构建了新的最佳解决方案,改进了生产的每个阶段(从选择材料、打印到检验和最终加工)。


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