欧洲航天局支持3D打印无摩擦齿轮项目

2023年8月30日，南极熊获悉，瑞士电子和微技术中心（CSEM）与金属3D打印专家3D Precision and Space以及航空航天中小企业Almatech SA合作，将共同设计、3D打印和测试一种名为顺应旋转减速机构（CRRM）的高性能不锈钢一体化齿轮系统。

△3D打印的顺应旋转减速机构（CRRM）

目标取消“润滑”

CRRM是一种无摩擦齿轮机构，采用高性能不锈钢材料通过3D打印一体化制造而成。该齿轮系统旨在实现航空航天部件（如推进器、传感器、望远镜镜头或镜子）的精确旋转，最重要的是它无需润滑剂。为了实现这一目标，CRRM采用了弯曲或“弹性变形”的设计，包含24个可弯曲叶片，其中16个是互锁的。

该项目于2018年启动，由欧洲航天局（ESA）通用支持技术计划（GSTP）资助。CRRM的设计由CSEM负责，3D Precision负责进行3D打印制造，性能测试则由Almatech SA进行。

欧空局技术官员Paolo Zaltron解释说：“可变形部件和刚性部件被构建为一个整体结构，避免了任何耗时的组装和对准。”他还指出，这些部件的非常规形状突破了3D打印技术的界限，是先进优化技术的成果，将带来了前所未有的高灵活性和轻量化优势。

△3D Precision开发的金属3D打印零部件

3D打印无摩擦齿轮

在太空应用中，使用润滑剂可能会导致精密系统受到不必要的污染，引起磨损，从而缩短组件的整体使用寿命。因此，无需润滑的无摩擦结构特别具有市场前景。

尽管柔顺机构在太空应用中被广泛使用，通常用于需要零摩擦运动的场合，但其设计和制造具有挑战性。这是因为这些机构具有复杂的结构，由各种精密零件组成，传统上需要进行加工、验证、对齐和固定。

3D打印在这些机构的制造中具有显著优势，包括设计自由度以及能够制造复杂整体形状而无需任何组装要求的可能性。据称，如果不使用增材制造，CRRM无法在如此小的体积内集成24个挠性叶片，以形成交叉枢轴和八个中间级。此外，借助3D打印的优势，弯曲结构之间无需对齐即可确保适当的电影效果。

△在另一个案例中，人们使用3D打印为轨道火箭开发热交换器组件

为了设计该机构，该团队还结合了参数优化和拓扑优化。据说这种组合显著改善了零件的质量和特征频率，提供了超过550 Hz的第一特征模态。最终，CRRM可以将旋转运动减少10倍，对于扫描、指向、校准或翻转镜机构特别有用。

尽管整个项目的总体结果被认为是令人鼓舞的，但由于制造和测试过程中使用的宽板模型存在失真，导致性能和寿命测试的结果并不理想。

△有关测试过程的完整结果以及CRRM开发和制造的更多信息，请参阅CEAS太空杂志

虽然，CRRM项目还在进一步的研究和开发中，但该项目的进展对于航天技术和3D打印技术的发展具有重要意义，有望为未来的航天探索和工程应用带来更多创新和突破。