太空是增材制造的最初前沿。必威手机注册这是AM最有意义的地方，也是AM从一开始就最有意义的地方。作为结构，机制和材料司司长欧洲太空总署托马索·吉迪尼博士负责在欧空局鉴定和完善用于空间探索的添加剂制造。必威手机注册
他的部门为目前正在飞行的所有任务提供工程支持，从通信卫星到深空科学任务，到其他星球的探索任务，到人类太空飞行，到将有效载荷和宇航员送入太空的火箭。在加入欧空局之前，Ghidini博士为空客公司工作，参与欧洲航空工业的所有主要民用和军用项目，包括A380、A350和A400M飞机。
这一经验有助于在过去十年中运行大量的添加剂制造项目和测试。正如吉迪尼博士在这次独家且广泛的采访中所解释的那样，当欧空局的科学家和工程师必威手机注册们了解他们可以用AM做什么的时候，一个充满可能性的宇宙打开了。欧空局的增材制造技术是使人类太空旅行首先更容易获得，然后更经济实惠的一项使能技术。从地球到轨道，从轨道到深空，然后到其他行星的表面。
结构、机械和材料司是欧空局最大的司，有100多人在其中工作。欧空局的添加剂制造获得了大部分资金，支持欧空局的所有22个成员国都清楚地认识到其重要性。该司的工作范围很广，从任务设计阶段开始。随着特定任务所需物理硬件的确定，该司对大量硬件交互以及所有可能的系统和子系统提供支持、必威手机注册工程服务和复杂的数值和实验分析。
Ghidini博士告诉3dpbm：“一旦设计被‘祝福’，我们就开始制造它。”。这意味着支持制造商鉴定任何结构的所有材料、工艺、系统、子系统和电子设备。他解释说：“如果出现问题——因为有时事情确实出了问题——我们将作为一个完全独立和公正的权威机构，执行定制的故障调查，有点像‘空间CSI’。”。
一旦航天器建成，所有可能的故障都得到解决，关键时刻就来了：全面测试。“在过去，我们的责任以发射阶段和运行结束。我们现在增加了‘转管设计’能力，这意味着我们不仅需要确保航天器能够执行任务——发射、到达太空或行星，并运行任何需要的年数——而且还需要保证最后，飞船将在返回地球时解体。”
除了日常活动之外，Ghidini博士的部门还旨在确定能够实现未来任务的技术。“我们屏蔽市场以识别技术，然后我们成熟以获得空间应用。”这就是我的照片。如果您喜欢添加剂，并且您被空间，带子迷住，并欣赏舒适：这将是乘坐这个世界。
从案例研究到标准化
如何在AM欧空局开始了它的旅程是一个引人入胜的故事，一个很多AM使用者可以涉及到。“它可以追溯到到2006年，它开始与失败，” Ghidini博士告诉我们。“我们在国际空间站（ISS）的重大异常。水泵的开/关失败哥伦布舱阀门。这阀是非常重要的，因为它调节温度。的ISS从+ 180℃进时，它的暴露于太阳，至-180℃，当它在地球的影子：一个360℃热梯度。我们需要保持站内的温度在22℃到舒适船上的宇航员。所以，我们有航天飞机把阀门回到地球和我们的实验室进行调查。我们了解这个问题，并固定它。就是这样。 Nothing to do with additive. What it did have to do with additive is that that particular valve was, from a manufacturing point of view, an ideal case study to try out this new technology.”
当时，欧空局的塑料增材制造被用于原型，但金必威手机注册属AM仍处于早期阶段。欧空局与空客合作，决定将其作为一个案例研究。“我们对结果感到震惊。从减色剂到添加剂，我们将材料浪费从75%减少到5%。使用更少的材料，从经济上来说，将不锈钢换成钛更贵，但重量强度比也更高。”该部件的重量减少了50%，制造时间缩短了数小时。它不是将两个部件焊接在一起，这将需要额外的检查，而是一次性完成。所以，在某种程度上，我们赢了。但是，”Ghidini博士承认，“我们没有。”
这是第二个失败的故事:在使用3D打印时的一个常见错误。“我们只是复制了一个旧的设计，”Ghidini博士说。“我们复制了阀门原来的样子。要想真正从AM获益，特别是在太空应用中，你需要为AM设计。”
Ghidini博士仍在继续：“正如我们了解到的课程，我们意识到，我们第一次获得了一种使我们能够从制造业的设计移动到性能设计的制造技术：母亲自然等零件的发展。我们意识到我们可以将材料分配到负载所在的位置。我们理解，我们可以大大减少质量，这是任何需要被拆进到轨道的部分的关键优先级。“
根据与地球的距离，发射到太空的每公斤质量的成本可能在数万至10万美元之间。此外，发射装置的可用空间有限。所以，零件越小越好。然而，制造小零件也意味着更复杂的几何形状和更难获得材料。
“这种材料的供应链很对我们的挑战，因为我们需要极高的性能和非常小的数量，” Ghidini博士解释说。“我们正飞向太阳和外行星。我们降落在其他行星上。我们需要运行多年的令人难以置信的恶劣环境下的任务。我们有一个非常有限的生产规模。此外，有可能实现我们想要的表演，具有非常高的可靠性结合几个制造过程。一旦一个部分是在太空中，它的消失。它可能需要几十年，没有任何维修或修理持续发挥作用。”
添加剂为所有这些挑战提供了一个可能的解决方案。首先，因为它在一小部分复杂的部件上工作得很好。它也适用于各种各样的材料:从金属和聚合物，复合材料和陶瓷，到食物，细胞(生物打印)，混凝土和地聚合物。你现在可以在微米到米大小的结构上使用AM。通过对非常复杂的组件的压缩制造链，AM可以将重量降低高达90%，缩短数周的交货时间。通过去除螺栓和焊缝，现在可以生产传统制造方式无法生产的结构，甚至可以在结构中嵌入新的功能，如热功能。
“想想看，今天的推进器由近200个需要组装的部件组成，”Ghidini博士说。“现在你可以完整地做一个推进器了。”但并不是所有发光的东西都是金子。“当我们看到巨大的好处时，我们也开始发现可能存在的问题，”他补充道。“一个是，想要在任何事情上都使用添加剂是适得其反的。所以，我们工作的一个重要部分就是决定在哪里使用它是有意义的。”
太空路线图
它花了一些时间来确保AM对空间是可靠的。如果因为增材制造失败而导致火箭爆炸或卫星丢失，在早期就会扼杀这项技术。必威手机注册今天，附加部件正在飞行，因为欧洲航天局已经成功地从演示转向飞行任务。但这条路并不是那么清晰。“一开始，我们看到了一个可怕的迅速发展的效应:每个人都自称是AM专家。我们意识到我们需要在欧洲有一个集中的战略，所以我们创建了欧洲空间应用增材制造路线图。必威手机注册所有欧洲伙伴都做出了贡献，欧空局担任了主席。”
这种路线图详细说明了安全使用添加剂制造所需的时间表和要求[下载PDF]。必威手机注册它还解决了要解决的主要问题，如维度和设计挑战。“我们指出，我们没有设计指导方针，没有最终的工具，无法从CAD到CAE到拓扑优化，然后致力于制造，考虑到复杂性以及残余的压力和建立策略。”另一个挑战是有关的材料：粉末质量控制，供应链和粉末的可重复性质量。“我们需要保证我们制造业合作伙伴的统一标准质量，”Ghidini博士说。“然后，我们致力于制造挑战：过程监控，加工策略，表面处理和表面工程等后处理。”
在欧空局的工作必威手机注册做的添加剂制造
另一个关键问题是鉴定和验证策略，包括机械特性、数值预测、疲劳分析和无损检测（NDI）。Ghidini博士解释说：“一旦我们确定了鉴定零件的策略，我们就转向了标准化。”。“我们利用了欧洲空间标准化联盟ECSS。我的部门领导了这项AM空间标准，我们将在今年发布。”
任何一个行业可以采用这些标准。要求可以被降级为较少的极端条件，但文件提供了关于如何使用和测试AM份明确指南。“它可以是有一个标准的程序是有用的，”他补充道。“我们提供的是可以根据具体需求，并有利于进一步的市场AM摄取的理想方法。”
为了实现通过一个集中，统一的战略方针路线图，欧空局建立了两个ESA添必威手机注册加制造基准中心：一个是英国考文垂的MTC。另一人在德国德累斯顿，在弗劳霍夫研究所。“我们解决了特定使用需要解决的所有基本挑战，”Ghidini博士博士。“如果您是空间行业的公司并希望实施AM，您可以找到一个拥有所有机器，所有技术，所有材料的中心，帮助您成熟您的流程或应用空间。”
吉迪尼博士的部门还绘制了欧洲AM粉末生产商的地图。“我们检查了他们在粉末的再现性、尺寸、形状和成分方面所能达到的质量。然后，在同一台机器上，使用相同的参数，我们生产了相同的样品，以了解不同粉末对不同材料的性能。我们为空间级add制定了这套采购规范另一个可用工具是基于已知断裂模式的添加剂制造零件断裂图谱，如静态过载、疲劳、腐蚀和应力腐蚀开裂。“为此，我们系统地拍摄了断裂面的照片，以便指导工程师们揭开冶金学的全新篇章。”必威手机注册
把欧洲航天局的必威手机注册增材制造带到新世界
欧空局系统地界定了AM在空间的可能应用，将其分为三个领域。首先是地球上的加性制造业。也就是说，为地球上的航天器和火箭生产优化的零件。第二个是轨道上的附加制造——例如在国际空间站上。最后，是其他星球（如月球或火星）的附加制造。每一种都有非常不同必威手机注册的要求，但有时也有交叉受精的机会。
要考虑的第一个应用是结构应用。这就是吉迪尼博士的部门在提高机械性能的同时大幅降低买飞比的地方。他告诉3dpbm：“我们从二级结构开始，如果它们失效，不会造成灾难性的损失，比如支架。”。“现在，我们越来越有信心，也在解决初级结构问题。”
为了进一步开发用于重量优化的点阵结构，欧洲航天局采取的第一步是要求空客公司审查整个火箭系列，阿丽亚娜，并确定在哪里应用AM。结果表明，每个发射装置有20到25个支架，总共节省了超过30%的成本。然后该机构开始研究太空推进。这就是欧空局的增材制造可以带必威手机注册来最大好处的地方，通过大幅减少零件数量(从近200个推进器减少到1个)，并通过生产非常复杂的结构，如带有通道的喷油器头，这是传统制造工艺无法生产的，或带有嵌入式散热器的排气锥，以达到最佳散热效果。
2015年，ESA和空中客客有史以来第一个3D打印白金燃烧室．铂是一种理想的推进材料，然而，由于材料浪费(和相对成本)，而且很难锻造和处理，在传统制造中使用是不现实的。调幅的另一个关键空间应用是射频(RF)设备。其优点包括质量减少(高达50%)和无需组件。“需要考虑的关键方面是几何，”Ghidini博士补充道。“用于传输数据的天线不应该有锋利的边缘。使用AM，我们可以一次性建造天线，并具有理想的几何形状，以获得最佳的射频性能。”
在主要结构方面，欧空局正在与弗劳恩霍夫研究所合作，研究将AM部件用于雅典娜X射线天文台镜面结构的可能性。雅典娜X射线天文台是一台将于2031年发射的用于空间研究的超级望远镜。他说：“我们测试了一种混合快速等离子沉积（RPD）技术，一种线弧添加剂制造（WAAM）工艺，并将其与减法系统相结合，以生产米长的零件。”必威手机注册
AM部件现在已为欧空局的多项任务确定了基线。第一批集成附加部件的卫星包括量子通信卫星Sentinel-4和仅使用电力推进的地球静止卫星Electra。很快就会有零件飞到飞机上JUpiter冰卫星探测器任务，发射到木星系统在2022年（和2029年到达）。维加-E，Ariane6和Ariane5火箭还集成了AM部分。非常第一部分，在2016安装在Ariane5，是一个万向横：这是在Ariane5的第一级的的Vulcain 2低温发动机的排气管线的结构部分。维加ë发展已经成功火灾安全是由液态氧甲烷推进剂供给的AM推力室。
3D打印保持空间
必威手机注册太空增材制造正在迅速成为现实，最合理的下一步是在轨道上使用它。为什么?“看看阿波罗13号，”Ghidini博士回答说。“如果他们在船上有一个3D打印机，他们就可以打印出二氧化碳过滤器的适配器，一切就会容易得多。当然，他们做到了，但长期任务的替换部件问题仍然存在。”在过去的几年里，两台聚合物挤压3D打印机一直在国际空间站上运行。欧洲航天局也在为太空建造一个金属3D打印机。Ghidini博士指出:“聚合物是有意义的，因为在零重力下没有负载，但我们也想拥有金属打印能力。”“飞船的金属部件确实会出现故障，我们需要有修复的机会。”这些功能将是特别重要的深太空网关等任务(现在称为月球轨道Platform-Gateway或LOP-G),这是空间站绕着月亮,明天将在2024年做好准备,所以实际上——然后载人火星任务。
如果没有3D打印功能，深空任务将是不可想象的。他补充道：“这是一项完全可行的技术，尤其是对金属而言，因为不可能携带所有的备件，而且宇航员可能需要工具来应对特定和不可预测的情况，在这些情况下，标准工具无法工作。”。“在国际空间站上，金属3D打印还意味着可以直接在轨道上制造卫星，而不是发射卫星。我们可以生产和部署立方体卫星，而无需从地球上发射卫星。甚至可以扩展已经在轨道上的结构。”
虽然德国航空航天中心目前正在研究一种用于太空的金属PBF 3D打印机，但这种金属粉末确实带来了一系列挑战和考虑。这就是为什么吉迪尼博士的团队还在研制一种基于金属丝的3D打印机，该打印机将于明年推出。这个想法是在地球上制作样品，然后把打印机送到太空，用相同的参数打印相同的零件。通过比较这些部件，将有可能了解在轨道上可以实现的质量。“从长远来看，这确实会改变我们在太空中的工作方式，”他总结道。
地球外制造业
走出地球制造的是包含能够从我们的地球产生的一切程序：在月球上，在卫星，甚至在火星上。这是包括将建火星和月球风化层的出基地，使我们能够为空间应用AM第三域的程序：在行星制造。Ghidini博士的研究小组在火星和月球风化层模拟物上进行了测试．对于月球基地，他们建造了一个1.5吨重的演示器，并正在考虑两种可能的方法:利用太阳来烧结风化层粉末或磷酸来粘合它。火星上有磷酸，但月球上没有。这还不是全部。
月球表土作为一种陶瓷被研究用于3D打印，但吉迪尼博士的实验室也发现，铝、钛、钢和硅可以从中提取出来，释放出氧气。吉迪尼博士说：“这当然不是一个副产品，因为它是太空中的一个基本产品。”。“想象一下，有无限量的钛，一种非常贵的金属，你可以用它来建造结构；铝，也非常贵；铁；和硅，用于电子元件的生产。这意味着有制造能力和资源可在现场使用，同时生产供宇航员呼吸的氧气。”
Ghidini的团队博士也在研究提取，旨在作为循环生产的形式。“行星着陆器在着陆后耗尽了其功能，”他解释道。“这将成为地球表面上的一块垃圾。我们可以从中提取所有金属和所有聚合物，以回收并重印它们进入新的结构中以便在使命的新阶段使用。材料的性质将衰减，“他指出。“但只要我们在设计新结构时考虑到这一点，这无关紧要。”
要考虑“出地球制造”的最后一家材料，也许是最重要的是生物材料。使用干细胞，在霍迪尼博士的生物印刷皮肤，骨组织和脉管系统中的一支团队，在减去1克条件下（颠倒），证明该过程也可以在零克中工作。“我们用来将细胞保持在一起的粘合剂是来自藻类的藻酸盐，”他说，“指出它可以由在前往火星的途中或直接在红色行星上生长的植物生产。宇航员的干细胞也将用于制造组织并将它们暴露于相同的高水平辐射，它们将在行程中接收到火星，甚至更长的时间段，以表征他们的反应，而不会使它们暴露于任何风险。通过个性化医学方法，这些信息将用于开发药物以治愈细胞损伤，这也是地球上的强劲趋势。
如果宇航员在火星表面的舱外活动（EVA）中受伤，则需要打印骨骼和皮肤来治疗他们，或者治疗因船上意外火灾造成的烧伤。由于天体动力学的原因，前往火星的任务不能中止：一旦起飞，宇航员将不得不进行为期两年的全程旅行，这意味着如果他们受伤，他们需要能够自我修复。
大规模生产：最后的前沿
在不久的将来，欧空局正致力于改进当前的AM流程并实现未来的AM应用。“考虑到可制造性、支撑结构、残余应力和建筑策略等方面的所有限制，我们将继续致力于完全集成的设计和制造工具，从CAD到拓扑优化，并通过AM过程。我们希望通过设计指南和手册来帮助设计师。在材料方面，我们将继续在原料、粉末和供应链控制方面的工作。我们希望在太空中引入金属粉末回收，这是我们进一步提高成本效率所需要解决的问题，”Ghidini博士解释道。
新材料的发展将是AM-更具体的。例如，使铝更便宜，更强大，以及应力腐蚀开裂抵抗性。或显影铝与多达40-50％的硅含量为反射镜和其它高稳定性的结构。AM-特定钛合金将发展成为在三维印刷工艺更强。铜合金正在研究用于低温以及化学推进应用来说，使用绿色激光来处理它们。对于AM一个全新的面积是金属玻璃的复合材料。“这是非常有前途的材料换空间，为他们的稳定性和刚度，” Ghidini博士说。“我们希望使它们可用于加成地制造和非常持久的机制使用它们，针对“无限的生必威手机注册活。”
随着科学和小说之间的界限越来越窄，吉迪尼博士的团队现在正寻求通过使用4D打印技术来开发合规机制和执行器。“这是一大步，”他承认。“我们可以3D打印由温度激活的形状记忆合金。这将允许我们发射一个折叠结构，该结构可以很容易地包含在一个小空间中，以便在达到所需温度时展开。相比之下，为了在太空部署复杂结构，今天我们使用昂贵的重型发动机或危险装置这些系统依赖于它们的可靠性，它们可能会失败。另一方面，记忆合金将永远工作，因为它们只依赖于物理。”
最后一个领域是大规模生产。由于批量需求非常有限，Space成为AM的第一个采用者。但随着卫星网络变得更大，这种情况正在发生变化。“没有汽车那么大，但更接近航空体积，”吉迪尼博士承认。这开启了一系列全新的挑战和机遇，使ESA更接近地球AM挑战。“我们将需要更先进的人工智能来实现机器学习过程监控，以及更先进的NDI功能，所有这些都将与制造业中更严格的网络安全要求相结合，”他补充道。标准化也将变得越来越重要。
后处理、表面工程、使用3D打印修复AM和非AM零件、非常复杂零件的精加工能力：这些都是ESA关注的关键领域。“我的梦想是让一台机器在评估过程中进行评估——评估对部件疲劳寿命的影响，并决定是进行维修还是接受零件的现状。”这是通过在零件评估中引入概率方法实现的。吉迪尼博士说：“我们与米兰理工大学共同开发了一个名为ProFACE的软件，我们将使用该软件对额外制造的零件进行结构评估。”。“它从AM部件的可能缺陷开始，根据故障概率评估部件的寿命。这是一种进行数值评估的全新方法。”
为了大胆地去AM部件从未去过的地方，ESA将向该行业寻求更快的机器、智能制造和数字孪生能力、建模模拟和自动化检查。这是一个故事，整个AM行业可以涉及到它的发展，以帮助人类实现最令人兴奋的里程碑之一：人类在太空定居。
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