NASA：为用于太空任务的激光器，3D打印安装支架

2022年7月2日，南极熊获悉，SpaceX的第25次商业补给服务 (CRS-25) 任务将为国际空间站 (ISS) 的工作人员提供新的科学研究支持、补给和设备，其中包括3D打印的电镀支架。这个支撑部件是由美国宇航局制造的，用于安置新的激光器，以确定其星上岩石的年龄。进入国际空间站后，研究人员还会对3D打印部件进行测试，包括将其暴露于外太空等操作。


尺寸小性能高的激光器
在马里兰州美国宇航局 Goddard Space Flight Center 最近发表的一篇文章中，该机构谈到了此次实验的目标和国际空间站正在进行的工作，以及3D打印将对项目进展产生的作用和影响。根据该机构在《CuttingEdge 2022 年春季刊》上发表的内容，Goddard 物理学家Barry Coyle开发的激光填补了现有技术的空白，为未来的行星任务提供了一种强大而小巧的轻量级工具，可以探索其他行星的形成方式。此外，这个手掌大小的激光器对于小型漫游车和着陆器至关重要，可减少任务预算。

Coyle对激光的兴趣可以追溯到1980 年代，当时他在South Carolina的Charleston大学中物理学教授Fred Watts的激光实验室工作，觉得激光很难。他在2021年10月，于Goddard研究其他太空激光器时，在美国宇航局的一篇帖子中思考过为什么将激光组装在一个地方对生产和成本效率如此重要的原因。在地球科学激光高度计系统(GLAS)推出后不久，Coyle就产生了就地制造激光器的想法，该激光系统是第一个用于连续全球观测地球的激光测距仪器。

Coyle指出：“在 NASA之外生产太空飞行激光系统既昂贵又低效，没有什么能像3D打印那样节省时间、能源和成本，使用3D打印技术能够大大简化制造过程和装配过程，使其成为新型“小巧”激光器等定制部件的理想解决方案。”


△手掌大小的激光器通过 Form 3 上打印的电镀支架（银色）连接到安装区域。图片由美国宇航局Goddard Space Flight Center提供。

3D打印激光器的安装支架
与Curiosity 和Perseverance火星探测器上的大型激光器不同，此款新的激光器非常适合小样本观测。激光能够通过将岩石中的分子分离成原子来测量岩石样品的成分。然而，激光器需要有一个正确合理的连接和安装位置，才能正常工作。这就是3D打印的用武之地了。工程师使用3D技术快速开发和改进了激光器的安装连接部分。

为了制作安装支架，NASA使用了Formlabs的Form 3立体光刻 (SLA) 平台和该品牌的 Rigid 10K Resin，这是一种玻璃填充材料，是Formlabs工程产品组合中硬度最高的材料，可用于制造承受大量载荷而不弯曲的精密工业零件，它可以呈现出光滑的哑光效果，并且具有很高的耐热性和耐化学性。接下来，Goddard的NASA工程师依靠nTopology生成设计软件为支架提供有机支撑设计，最大限度地提高承载能力。然后，他们与 Formlabs 打印商合作，优化支架设计以实现最大强度。



根据Goddard工程师 Matthew Mullin的说法，“能够与专业领域的人合作设计制造3D打印激光零件，真的很令人兴奋。与传统加工相比，3D打印可以更快地完成不同的设计，并且成本显着降低。像这样的3D打印激光组件曾经是由轻质金属定制铣削而成；现在，先进的制造技术可以缩短制造时间和成本。”

最终打印部件制造完成后，该团队将其树脂打印品发送给位于马里兰州的专业公司RePliForm，以实现外层电镀。电镀Rigid 10K Resin 打印部件可以增加零件的强度并减少了部件排放的废气量，使部件比相同应用的传统机加工部件轻得多。此外，得益于3D 打印，Goddard 团队可以在比窜通加工过程更短的时间内进行设计、打印、迭代和重新设计。


△SpaceX  Dragon飞船。图片由美国宇航局Goddard Space Flight Center提供。

该激光器将于2022 年7 月14日之前在 CRS-25 任务中从佛罗里达州 NASA 的肯尼迪航天中心发射，搭载SpaceX的robotic Dragon太空舱和猎鹰9号火箭。CRS-25 将履行SpaceX和NASA之间正在进行的货运合同的一部分，是这艘特飞船的第三次任务。