ORNL和NASA通过增材制造实现月球车车轮原型

近日，美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）与美国国家航空航天局（NASA）合作，利用金属增材制造技术制造出了一个类似于机器人月球车设计的车轮。该项目旨在展示该技术制造太空探索所需专用零件的能力。

 

此前，NASA计划于2024年将一个移动机器人送往月球南极。这项任务的目的是绘制冰和其他潜在资源的地图，并调查月球上水的起源和分布情况。它还将探索从月球表面采集足够的水以支持人类居住的可行性。

 

ORNL研究人员根据NASA的设计，使用增材制造技术制造了月球车车轮

 

尽管在能源部位于ORNL的制造示范设施（MDF）制造的原型车轮不会用于NASA的登月任务，但其构造符合为NASA的VIPER生产车轮的相同设计规范。研究小组在将该技术用于即将到来的月球车或火星车或探索在其他空间应用（如大型结构部件）的潜力之前，计划进行进一步测试并确认设计和制造方法。

 

增材制造技术具有显著降低能耗、减少材料浪费和缩短交货时间的潜力。它还能实现复杂的设计和材料属性的定制。

 

开发大型增材制造设备

为了制造漫游车车轮原型，ORNL的MDF研究人员使用了一种专门的增材制造设备，该设备采用两台协调激光器和一个旋转构建板，将金属粉末选择性地熔化成所需的形状。这种新颖的增材制造机能够制造大型物体，大小足以让人进入。

 

Peter Wang是新型激光束粉末床熔融（PBF-LB）系统MDF开发的负责人。他说：“我们对该系统的功能还只是略知一二。我真的认为这将是激光粉末床印刷的未来，特别是在大规模和批量生产方面。”

 

Wang和项目组成员最近发表了题为“利用多激光旋转粉末床熔融增材制造技术提高生产率”的研究报告，分析了该技术在制造电机等部件方面的可扩展性。

 

NASA机械设计工程师Richard Hagen（左）和ORNL研究员Michael Borish正在检查月球车车轮原型

 

虽然设备本身是独一无二的，但该项目的成功在很大程度上依赖于研究人员在过程自动化和机器控制方面的专业知识。他们利用ORNL开发的软件将车轮设计分为垂直层，然后在两台激光器之间分配工作量，以确保均匀制造从而实现高生产率。这项技术最近已申请专利保护。

 

车轮原型是新型增材制造的初始部件之一，它展示了机构间合作的重要性。“NASA合作的项目确实推动了技术的发展。”为ORNL领导漫游车车轮项目的研究员Brian Gibson分享道，称这是一个里程碑。他说：将一种现实的制造能力与发展中的需求联系起来非常好，团队很高兴能制造出具有太空探索应用价值的原型部件。

 

原型车轮由镍基合金制成，宽约20厘米，直径约50厘米。这个尺寸比使用金属粉末床系统制造的典型零件大得多。制造工艺要求能够在较大的工作区域内制造出较小的几何特征。Gibson认为，增材制造技术可以实现更复杂的轮辋设计，同时不会增加成本或制造难度。

 

相比之下，将于明年穿越月尘的四个VIPER车轮经历了多个制造过程和装配步骤。轮辋由50个部件组成，通过360个铆接点固定在一起。制造过程涉及复杂而耗时的加工，以满足任务的严格要求。

 

如果美国国家航空航天局的测试证实增材制造的原型与传统制造的车轮一样坚固耐用，那么未来的漫游车就有可能使用单一的增材制造车轮轮辋。

 

该轮辋的制造过程花费了40个小时。作为项目的一部分，ORNL和NASA工程师还探索了加入精确设计特征的可能性，如倾斜的侧壁、圆顶形状和波浪形胎面。这些特征将增强车轮的刚度，而在当前的VIPER车轮设计中，使用传统制造方法很难实现这一点。增材制造技术简化了车轮设计，降低了成本并使最终装配变得更容易，尽管辐条模式和辐条锁定功能更为复杂。

 

增材制造技术可在原型月轮上融入精细的设计细节，例如圆顶形状上的波浪形胎面

 

NASA机械设计工程师兼休斯顿约翰逊航天中心增材制造制造实验室经理Richard Hagen补充说：这些车轮的很多功能都是为了突出增材制造的优势。它可以让你轻松实现传统工具甚至传统加工零件难以实现的设计功能。据Hagen称，ORNL制造大型零件的能力展示了增材制造技术在为漫游车制造更大车轮方面的潜力。

 

另一方面，研究小组面临的一个挑战是专门的增材制造设备只能使用某些材料进行制造。在这种情况下，它使用的是镍基合金。因此，尽管制造厚度相似，但增材制造的车轮要比铝制VIPER车轮重50%。

 

NASA计划在漫游车上测试增材制造型车轮的性能。测试将在美国宇航局约翰逊航天中心的岩石场或在签约测试设施的模拟月球环境中进行。评估人员将评估车轮的可操作性、抗转动性、侧滑性、爬坡性以及其他性能指标。

 

Gibson评论说：增材制造具有灵活性，只要有原料，就能制造出所需的任何替换零件，无论是在太空还是在地球上。这也是增材制造技术在满足各种替换需求（包括快速制造工具和难以获得的铸件和锻件）方面获得极大兴趣的原因之一。在太空探索和居住方面，增材制造设备有可能利用月球或火星上的当地材料作为原料。

 

参与该项目的其他ORNL研究人员包括Jay Reynolds、Gordon Robertson、Greg Larsen、Jamie Stump、Michael Borish、Chris Ledford、Ryan Dehoff和前ORNL工作人员Charles Wade。该项目得到了Ryan Duncan和Jeremy Malmstead的技术支持。研究经费由NASA和能源部先进材料与制造技术办公室（AMMTO）提供。

 

研究在位于美国国家实验室的制造示范设施进行，该设施是MDF联合会的所在地。该联盟是一个全国性的合作团体，与ORNL合作，在AMMTO的指导下推动美国最先进制造技术的发展。