模拟实验在太空3D打印制造部件

目前，所有航天器都经过研制、测试和组装，然后由火箭运送到各自的任务地点。每个部件必须承受火箭发射的高负荷，而实际任务的载荷通常相对较低。由于系统重量和体积大以及火箭飞行所需的复杂测试程序，这些超大部件会导致高昂的太空运输成本。为了降低这些成本，可以使用增材制造方法直接在轨道上制造和使用航天器部件。

基于这一想法，慕尼黑应用科学大学的八名学生组成的团队决定设计一种 3D 打印技术，通过该技术，可以直接在太空中为太阳能电池板、天线或任何其他装置构建结构。他们命名为"AIMIS-FYT – 太空增材制造 AIMIS "，他们决定采用一种印刷方法，用紫外光挤出和固化光反应树脂。

应用程序

设备基本上包括一个主要结构，有一个笛卡尔3D打印运动安装在里面。打印机有两个平移轴和一个旋转轴。因此，打印机可以在一个固定平面上移动和旋转。这使系统能够创建自由格式结构。打印头是团队实验的主力，由步进电机驱动的挤出机组成，在零重力下分配粘性树脂。在挤出过程中，树脂同时被喷嘴后面的紫外光固化。

AIMIS-FYT 解释了它是如何工作的："在我们的工艺中，我们使用所谓的"光聚合物的直接机器人挤出"。它基本上由挤出机组成，通过挤出机可以分配粘性光聚合物。这允许树脂通过喷嘴喷射，然后通过紫外线固化。通过外部移动喷嘴，可以生成三维结构。在我们的案例中，这不是像传统 3D打印机那样一层一层地完成，而是直接通过三维运动与树脂的体积拉伸相结合。

解决挑战

与传统的 FDM 打印机不同，AIMIS-FYT 使用的打印工艺采用 UV 固化树脂。这种树脂需要以可控和非常精确的方式分配，以便产生 3D 结构。为了满足这些要求，使用带精确步进电机的挤出机。此外，整个设置需要放入一个小隔间，并可用于团队的软件。

为了充分利用步进电机的优势，团队决定使用Trinamic的TMCM-1070模块。"经过短暂的研究，我们碰到了三元驱动模块TMCM-1070。此驱动程序模块易于使用，通过步进和方向接口控制，占用空间非常小，是一个可靠的解决方案。此外，该模块位于一个盒子里，很容易符合我们在零-G飞机上的实验设置要求，"慕尼黑的团队说。

第一个结果

实验基于四个基本操作，这些操作已确定为微重力的印刷结构（如架结构）。它们根据不断增加的复杂性进行排序，如下：

● 直杆

● 带起点/停止点的直杆

● 自由形杆

● 杆之间的连接

通过组合这些基本操作，将来应该能够直接在太空中创建任何自定义结构元素。

零重力测试

2019年11月，AIMIS-FYT团队入选 FlyYourThesis2020！欧洲航天局（ESA）的一项计划，允许大学生在几次抛物线飞行期间在微重力条件下进行科学和技术实验。在整个2020年11月在法国波尔多的飞行过程中，来自慕尼黑的团队共有90个抛物线测试他们的技术。在每个抛物线期间，它们将和打印机一起在零重力下漂浮约 20 秒。

在三个飞行日，总共将飞行90个抛物线，因此，我们可以进行总共90次实验。实验分为上述四个基本操作，在每个基本函数中，我们测试不同的参数，以确定它们对印刷过程的影响。因此，我们为实验配备了各种传感器，如热像仪、气压传感器、温度传感器等。目标是打印各种尺寸和形状的90根棒，然后进行详细分析。实验结果将进一步优化印刷工艺，证明我们的增材制造方法在微重力条件下有效。将来，这项技术可以进一步改进，甚至可能在太空中进行测试。这项技术为大幅降低卫星和其他空间飞行任务的成本提供了机会。

【AIMIS-FYT团队: Julius Frick, Christoph Boehrer, Manuel Kullmann, Michael Kringer, Moritz Frey, Fabian Schill, Torben Schaefer, Maximilian Strasser】