3D打印卫星传感器经证实与传统工艺性能完全一致，且更具成本优势

2022年7月31日，南极熊获悉，麻省理工学院为轨道航天器，创造了第一个完全由3D打印制造的等离子体传感器，它们极具成本优势。这些等离子体传感器，也称为延迟电位分析仪(RPA)，被卫星用于确定大气的化学成分和离子能量分布。

△麻省理工经过实验，3D打印对比传统工艺卫星传感器更具有成本优势

3D打印和激光切割的等离子传感器，在硬件性能表现上完全一致，但后者是在无尘室中制造的，这使得它们价格昂贵，并且，需要数周的复杂制造。相比之下，3D打印的传感器可以在几天内以几十美元的价格生产。

由于3D打印技术，成本低和生产速度快，因此，该技术非常适合用于制造卫星传感器。这些廉价、低功耗和轻量级的卫星，通常用于地球高层大气的通信和环境监测。

△在RPA中，等离子体穿过一系列带电的网格，网格上点缀着小孔。当等离子体穿过每个网格时，电子和其他粒子被剥离，直到只剩下离子。此图显示了网格如何安装在RPA外壳内

研究人员，使用一种玻璃陶瓷材料开发了RPA，这种材料比硅和薄膜涂层等传统传感器材料更耐用。通过将玻璃陶瓷用于为3D打印塑料而开发的制造工艺，他们能够创造出具有复杂形状的传感器，能够承受航天器在低地球轨道上遇到的广泛温度波动。

麻省理工学院微系统技术实验室（MTL）的首席科学家，等离子体传感器论文的高级作者Luis Fernando Velásquez-García 说：“3D打印技术，可以为未来的空间硬件带来巨大的变化。有些人认为，当你3D打印的东西，你必须牺牲一定的性能。但是，经过我们证明，情况并非总是如此。有时，没什么不一样的。”

△该研究已发表在增材制造上，题目为《玻璃陶瓷大桶聚合技术用于制造，立方体卫星和实验室使用的紧凑型缓释电位分析器》（点我传送门）

多用途的传感器
1959年，RPA首次被用于太空任务中。这些传感器探测漂浮在等离子体中的离子或带电粒子的能量，等离子体是存在于地球高层大气中的分子的过热混合物。在像立方体卫星这样的轨道航天器上，这些多功能的仪器测量能量并进行化学分析，可以帮助科学家预测天气或监测气候变化。

这些传感器包含一系列带电的网状物，上面点缀着小孔。当等离子体通过这些孔时，电子和其他粒子被剥离，直到只剩下离子。这些离子产生电流，传感器对其进行测量和分析。

RPA成功的关键是对准网格的外壳结构。它必须是电绝缘的，同时也能承受温度的突然剧烈波动。研究人员使用了一种可打印的玻璃陶瓷材料，它显示了这些特性，被称为Vitrolite。

Vitrolite在20世纪初开创了先河，经常被用于彩色瓷砖，成为装饰艺术建筑中常见的景观。

这种耐用的材料还可以承受高达800摄氏度的温度而不分解，而用于半导体RPA的聚合物在400摄氏度时就开始融化。

Velásquez-García：“当你在洁净室中制作这种传感器时，你不能随意按照自己的想法来设计它们的结构，但是3D打印突破了这项限制。”

△该图显示了一项实验，在该实验中，研究人员设置了他们的RPA，将其表征为离子能量分布传感器

对制造的重新思考
陶瓷的3D打印过程通常涉及陶瓷粉末，用激光将其熔化成形状，但这一过程往往使材料变得粗糙，并由于激光的高热而产生薄弱点。

相反，麻省理工学院的研究人员使用了大桶聚合，这是几十年前引入的一种用于聚合物或树脂的增材制造的工艺。在大桶聚合法中，通过将三维结构反复浸入液体材料的大桶中，在这种情况下是Vitrolite，一次建立一层。在每一层加入后，紫外线被用来固化材料，然后将平台再次浸入大桶中。每一层的厚度只有100微米（大约是人类头发的直径），能够创造出光滑、无孔隙的复杂陶瓷形状。

在数字制造中，设计文件中描述的物体可以非常复杂。这种精度使研究人员能够创建具有独特形状的激光切割网格，以便在RPA外壳内设置孔时完美地排成一排。这使更多的离子能够通过，从而导致更高分辨率的测量。

由于传感器的生产成本很低，而且可以快速制造，该团队制作了四个独特的设计原型。

其中一种设计在捕捉和测量广泛的等离子体方面特别有效，就像卫星在轨道上遇到的那些等离子体一样，而另一种设计则非常适合于感应极其密集和寒冷的等离子体，这些等离子体通常只能用超精密的半导体设备来测量。   

这种高精度可以使3D打印的传感器，应用于聚变能源研究或超音速飞行。Velásquez-García补充说，获得了快速原型制作能后，甚至可以刺激卫星和航天器设计方面的更多创新。

"如果你想创新，你需要能够失败并承担风险。3D打印技术是制造太空硬件的一种不可或缺的方式。我可以制造太空硬件，如果它失败了，也没有关系，因为我可以非常快速和廉价地制造一个新的版本，并真正迭代设计。他说："这对研究人员来说是一个理想的设计模式。

虽然Velásquez-García对这些传感器很满意，但在未来，他希望继续改进该工艺。在玻璃陶瓷大桶聚合中减少层的厚度或像素大小，可以创造出更加精确的复杂硬件。此外，完全采用3D打印的传感器将使它们与空间制造兼容。他还希望探索使用人工智能来优化传感器的设计，以满足特定的使用情况，例如大大减少其质量，同时确保它们在结构上保持良好。