NASAs Perseverance-rover bringer 3-D-printede metaldele til Mars

Hvis du vil se science fiction på arbejde, besøge et moderne maskinværksted, hvor 3-D-printere skaber materialer i stort set enhver form, du kan forestille dig. NASA udforsker teknikken - kendt som additiv fremstilling, når den bruges af specialiserede ingeniører - til at bygge raketmotorer såvel som potentielle forposter på Månen og Mars. Nærmere i fremtiden er en anden milepæl:NASA's Perseverance rover, som lander på den røde planet den 18. feb. 2021, bærer 11 metaldele lavet med 3-D print.

I stedet for at smede, støbning, eller skærematerialer, 3-D-print er afhængig af lasere til at smelte pulver i på hinanden følgende lag for at give form til noget. Dette giver ingeniører mulighed for at lege med unikke designs og egenskaber, såsom at gøre hardware lettere, stærkere, eller reagerer på varme eller kulde.

"Det er som at arbejde med papmaché, " sagde Andre Pate, gruppelederen for additiv fremstilling ved NASA's Jet Propulsion Laboratory i det sydlige Californien. "Du bygger hver funktion lag for lag, og snart har du en detaljeret del."

Nysgerrighed, Perseverances forgænger, var den første mission, der tog 3D-print til den røde planet. Den landede i 2012 med en 3-D-printet keramisk del inde i roverens ovnlignende Sample Analysis at Mars (SAM) instrument. NASA har siden fortsat teste 3-D-print til brug i rumfartøjer for at sikre, at pålideligheden af ​​delene er godt forstået.

Som "sekundære strukturer, "Perseverances trykte dele ville ikke bringe missionen i fare, hvis de ikke fungerede som planlagt, men som Pate sagde, "At flyve disse dele til Mars er en stor milepæl, der åbner døren lidt mere for additiv fremstilling i rumindustrien."

En skal til PIXL

Af de 11 trykte dele, der går til Mars, fem er i Perseverances PIXL-instrument. Kort for det planetariske instrument for røntgenlitokemi, enheden i madkassestørrelsen hjælper roveren med at finde tegn på fossiliseret mikrobiel liv ved at skyde røntgenstråler mod klippeoverflader for at analysere dem.

PIXL deler plads med andre værktøjer i det roterende tårn på 88 pund (40 kilogram) for enden af ​​roverens 7 fod lange (2 meter lange) robotarm. For at gøre instrumentet så let som muligt, JPL-teamet designede PIXLs todelte titanium-skal, en monteringsramme, og to støtteben, der fastgør skallen til enden af ​​armen, så den er hul og ekstremt tynd. Faktisk, delene, som blev 3-D printet af en leverandør kaldet Carpenter Additive, har tre eller fire gange mindre masse, end hvis de var blevet produceret konventionelt.

"I en meget reel forstand, 3-D print gjorde dette instrument muligt, sagde Michael Schein, PIXLs ledende maskiningeniør hos JPL. "Disse teknikker gjorde det muligt for os at opnå en lav masse og høj præcision, som ikke kunne laves med konventionel fremstilling."

MOXIE skruer op for varmen

Perseverances seks andre 3-D-printede dele kan findes i et instrument kaldet Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment, eller MOXIE. Denne enhed vil teste teknologi, der i fremtiden, kunne producere industrielle mængder ilt for at skabe raketdrivstof på Mars, hjælper astronauter med at sende tilbage til Jorden.

For at skabe ilt, MOXIE varmer Mars luft op til næsten 1, 500 grader Fahrenheit (800 grader Celsius). Inden i enheden er der seks varmevekslere - nikkellegeringsplader i palmestørrelse, der beskytter nøgledele af instrumentet mod virkningerne af høje temperaturer.

Mens en konventionelt bearbejdet varmeveksler skal laves af to dele og svejses sammen, MOXIE's blev hver 3-D-printet som et enkelt stykke på nærliggende Caltech, som administrerer JPL for NASA.

"Denne slags nikkeldele kaldes superlegeringer, fordi de bevarer deres styrke selv ved meget høje temperaturer, " sagde Samad Firdosy, en materialeingeniør hos JPL, der var med til at udvikle varmevekslerne. "Superlegeringer findes typisk i jetmotorer eller kraftgenererende turbiner. De er rigtig gode til at modstå korrosion, selv når det er rigtig varmt."

Selvom den nye fremstillingsproces byder på bekvemmelighed, hvert lag af legering, som printeren lægger ned, kan danne porer eller revner, der kan svække materialet. For at undgå dette, pladerne blev behandlet i en varm isostatisk presse - en gasknuser - der opvarmer materialet til over 1, 832 grader Fahrenheit (1, 000 grader Celsius) og tilføjer intenst tryk jævnt rundt om delen. Derefter, ingeniører brugte mikroskoper og masser af mekaniske tests til at kontrollere mikrostrukturen af ​​vekslerne og sikre, at de var egnede til rumflyvning.

"Jeg elsker virkelig mikrostrukturer, " sagde Firdosy. "For mig at se den slags detaljer, når materiale udskrives, og hvordan det udvikler sig at lave denne funktionelle del, der flyver til Mars - det er meget fedt."