3D打印帮助发射卫星任务

美国宇航局的喷气推进实验室转向增材制造,以降低新卫星天线阵列支架的成本和重量。

美国宇航局的JPL正在开发天线阵列,以放置在FORMOSAT-7 COSMIC-2卫星上。特派团将收集大气数据。


红眼睛 红眼睛使用熔融沉积建模和ULTEM 9085热塑性塑料来创建符合NASA规格的阵列。

F或航空航天业,增材制造有望帮助企业降低各种应用的成本,重量和复杂性。 美国宇航局的喷气推进实验室(JPL)最近与3D打印服务公司RedEye合作,正是即将进行的FORMOSAT-7 / COSMIC-2卫星发射的一部分。

2006年,由美国研究型大学和中华民国气象学会(台湾)组成的财团合作开展了原始的气象,电离层和气候星座观测系统(COSMIC)项目,利用卫星收集温度,湿度和压力数据。后续项目FORMOSAT-7 COSMIC-2卫星任务将收集更多的气象数据。该任务将在2016年将6颗卫星送入低倾角轨道,并在2018年将另外6颗卫星送入高倾角轨道。这些卫星提供的大气数据将支持飓风分析和预测,气候过程和其他领域的研究。

美国宇航局JPL正在开发全球导航卫星系统(GNSS)无线电掩星(RO)有效载荷,一旦两个星座都完全部署,它将能够每天追踪多达12,000个高质量的配置文件。 美国宇航局于2011年开始其开发工作,而增材制造迅速融入其中。

控制成本,提高速度

卫星的关键组件是主动转向,多波束,高增益相控天线阵列。 COSMIC-2将使用这些传统上昂贵的定制阵列中的30个,而NASA JPL希望找到一种方法来最大程度地降低制造成本和组装时间。 美国宇航局与Stratasys的子公司RedEye进行了该项目合作,该公司是Stratasys的子公司,该子公司提供快速原型制作和增材制造服务。

天线阵列支架通常由称为astroquartz的复合材料加工而成,但是COSMIC-2设计的生产成本很高。 “加工这些零件既费时又费钱,并且引起了对设计验证和测试的担忧,” 红眼睛航空航天与国防战略客户经理Joel Smith说。

史密斯说:“我们看到航空业从传统制造向增材制造的转变是有意义的。” “不同的公司正在使用FDM(熔融沉积建模)来制造不承重的支架和保持架。通过生产单个零件,他们可以减轻重量并减少组装步骤。”

美国宇航局 美国宇航局的JPL正在开发天线阵列,以放置在FORMOSAT-7 COSMIC-2卫星上。特派团将收集大气数据。

使用Stratasys FDM设备,RedEye可以使用ULTEM 9085热塑性塑料将结构作为单个单元生产。这样一来,NASA的JPL可以快速以较低的成本创建用于测试的原型,并减少制造和组装最终产品所需的总体成本和时间。

红眼睛的高级应用工程师Trevor Stolhanske说:“该阵列原本可以分开制造,然后组装。” “他们希望将阵列作为一个单元生产。他们有一个粗略的CAD模型,我们与他们合作,以确保这些规格在FDM流程中能很好地工作。”

“我们还可以为设计变更提供灵活性,” Smith补充说。 “通过增材制造,您可以降低生产原型和最终用途产品的成本。”

太空计划中的大多数3D打印部件尚未在航天器上供外部使用。为了创建天线阵列支架,NASA和RedEye必须测试并验证材料和零件,以确保它们在该环境中的性能。

太空中的热塑性塑料

当NASA JPL接近RedEye时,他们已经为该应用程序确定了ULTEM 9085。该材料是一种热塑性塑料,其强度与铝一样强,但轻得多。更重要的是,它已经过了航空航天应用的审查和批准。

史密斯说:“这是一种经过飞行认证的材料,也是增材制造中更坚固的材料之一。” “它也非常适合无线电和天线应用。”

这种材料从未在航天器的外部使用过,因此必须对零件进行天线波束方向图,效率和阻抗匹配以及NASA B / B1级飞行硬件要求的测试。这些测试包括对紫外线辐射,原子氧,除气,热性能(包括与铝板的相容性),振动/声学载荷以及与结构上使用的油漆和底漆的相容性的敏感性。

在塑料结构上使用了高辐射防护涂料,以反射太阳辐射并优化天线工作条件的热控制。

协同设计过程

JPL从基于原始机加工天线阵列设计的CAD模型开始,然后针对FDM工艺进行了更改。 美国宇航局和RedEye主要在SolidWorks,Magic和Stratasys的Insight软件中工作。

一个关键的变化是在设计中包括45°的自支撑顶角,以避免使用可分离的支撑材料。这样减少了机器的运行时间,提高了打印速度,并最大程度地减少了支架拆除期间的零件损坏。

“通过消除支撑材料,在移除支撑时不会造成太大的破坏,” Stolhanske说。 “您不必从复杂的区域中清除物料,并且运行时间大大减少。 FDM机器上的磁头不必来回切换。您可以节省两倍的运行时间和支撑架,同时最大程度地减少潜在的损坏。”

在整个项目中,RedEye和NASA JPL进行了多次电话会议和现场会议,以就最终设计进行协作。 美国宇航局在整个过程中对每个原型进行了测试,并将在进行任何设计调整后返回给RedEye。

“在每次迭代中,都会进行设计审查,并对图纸和印刷版进行修改,” Smith说。 “我们交付的每个零件都是一个完整的组件,因此他们能够进行形状,装配和功能测试以及更详细的更改的模型装配。他们在整个原型设计阶段都有最终用途。”

在2012年3月至2013年4月期间,RedEye生产了30种结构进行测试。 JPL和RedEye工程团队合作处理STL文件,并确保零件满足精确的公差。 红眼睛去除了零件的毛刺,并在每个零件上打上了ID号,并提供了材料测试试样,以及用于紧固件的铰孔,该紧固件将附接到铝板和锥体中的小通道以进行布线。

根据Stolhanske所说,关键的挑战是确保接线孔满足确切的公差。他说:“孔必须是一个特定的尺寸,尺寸不能太大或太小,我们必须为其精确打孔。” “这是一个挑战,因为他们必须在图纸上符合特定规格才能工作。”

每个天线阵列需要大约55到60个小时才能使用FDM进行制造。 红眼睛能够提供完整的天线用于最终测试和集成,并已添加到JPL批准的供应商清单中。

除了减轻重量,节省时间和降低成本外,NASA还能够验证FDM流程和材料,以用于将来的项目。

史密斯说:“航空航天和国防市场确实扎根于传统制造业,因此,要转向FDM之类,需要一定的理解和教育。” “我们能够为NASA提供支持,使他们能够从概念转变为成品零件,并且能够进行设计更改,而没有传统制造的所有成本和时间上的损失。”

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