一種面向空間增材制造的微重力環(huán)境地面模擬試驗方法

摘 要：空間增材制造能夠?qū)a(chǎn)品全部或部分脫離傳統(tǒng)地面制造模式，實現(xiàn)在軌制造或原位制造大型構(gòu)件。然而，高真空、微重力等復(fù)雜特殊的環(huán)境使得空間增材制造與地面制造差異很大。為了確?？臻g增材制造設(shè)備的可用性和可靠性，需要在地面環(huán)境條件下對微重力環(huán)境進(jìn)行有效模擬。為此，設(shè)計一種微重力場的增材制造地面環(huán)境模擬試驗裝置，并開展微重力環(huán)境試驗研究，對空間增材制造成形工藝過程進(jìn)行實際模擬與驗證。

關(guān)鍵詞：空間增材制造;微重力環(huán)境;試驗裝置;地面制造模式;成形工藝

中圖分類號：TH162 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）34-0018-04

Abstract： Space additive manufacturing can completely or partially separate products from traditional ground manufacturing models and realize on-orbit manufacturing or in-situ manufacturing of large components. However， complex and special environments such as high vacuum and microgravity make space additive manufacturing very different from ground manufacturing. In order to ensure the availability and reliability of space additive manufacturing equipment， it is necessary to effectively simulate the microgravity environment under ground environmental conditions. Therefore， a microgravity field additive manufacturing ground environment simulation test device was designed， and experimental research on microgravity environment was carried out， so as to realize the simulation and verification of the space additive manufacturing forming process.

Keywords： space additive manufacturing; microgravity environment; test device; ground manufacturing model; forming process

隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，美國、俄羅斯及歐洲軍事強(qiáng)國越來越認(rèn)識到空間應(yīng)用的重要性，正投入大量的科研經(jīng)費和人力資源來拓展空間能力，大型化、高頻次、可快速定制化修補(bǔ)等特點越來越顯現(xiàn)出來。發(fā)射時運載器整流罩尺寸和復(fù)雜嚴(yán)苛的力學(xué)環(huán)境，嚴(yán)重制約了大型化、靈活性、可快速維護(hù)航天裝備及飛行器等航天器的發(fā)展[1]。而增材制造技術(shù)就很好地克服了這些制約問題，能夠?qū)a(chǎn)品全部或部分脫離傳統(tǒng)地面制造模式，實現(xiàn)空間或原位制造大型構(gòu)件。

空間增材制造的意義在于，其可以讓太空技術(shù)發(fā)展得更快、更有效，使太空探索變得更加容易。通過空間增材制造，可以減少太空任務(wù)中的飛行時間，減少太空任務(wù)的成本，比如可以在太空中制造必要的零部件和材料，從而減少從地球運輸物資，這可以大大降低太空任務(wù)的成本。空間增材制造減少太空任務(wù)的飛行時間可以大大提高太空任務(wù)的安全性，從而減少太空任務(wù)中的風(fēng)險。此外，空間增材制造技術(shù)還可以幫助太空探索者在太空中修復(fù)和重建失效的設(shè)備，從而更好地利用太空資源。

由于空間環(huán)境的特殊性，使得空間增材制造技術(shù)與地面制造差異很大，對增材制造設(shè)備、工藝、材料等要求也不盡相同。為確保空間增材制造工藝可行性、設(shè)備工作可靠性，需要對其進(jìn)行地面試驗驗證。如何在地面環(huán)境條件下對空間增材制造成形涉及的環(huán)境條件，特別是對微重力環(huán)境進(jìn)行有效模擬與驗證，是對空間增材制造技術(shù)進(jìn)行有效評估的關(guān)鍵。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

對于微重力環(huán)境的地面模擬方法，目前各國大體上可分為3類：運動法、力平衡法和效應(yīng)試驗[2-3]。

1.1 運動法

運動法是讓試驗設(shè)備按照一定的規(guī)律運動，使其重力抵消慣性力或離心力，模擬微重力狀態(tài)，滿足試驗要求。目前主流的運動法包括落塔法、拋物飛行法和探空火箭法等方式。典型案例有：美國航空航天局（NASA）在1966年建造了世界上第一座落塔，我國中科院于2000年建成了超百米微重力落塔;美、俄、法、日等國具備專門開展科學(xué)研究的失重飛機(jī);美國于1945年秋研制成功世界第一枚專門用于高空大氣探測的火箭，中國于1958年正式研制了探空火箭[4]。

1.2 力平衡法

力平衡法是通過在試驗設(shè)備上施加外力來抵消掉其重力，進(jìn)行微重力模擬，目前常見的方法有液浮法、氣浮法、吊掛法及連桿彈簧靜平衡等方法。典型案例有：美國早期開發(fā)了用于宇航員訓(xùn)練的水浮試驗系統(tǒng);加拿大研制了NGC機(jī)械臂地面微重力氣浮試驗系統(tǒng);中國空間機(jī)械臂地面微重力氣浮試驗系統(tǒng);日本富士通實驗室、中國航天科技集團(tuán)公司第五研究院相繼研制了懸吊微重力模擬系統(tǒng)[5]。

1.3 效應(yīng)試驗

增材制造越來越多地應(yīng)用在航天產(chǎn)品中，但是不管是力平衡法還是運動法都不適用于增材制造的微重力環(huán)境試驗。但可通過在不同狀態(tài)下打印同一樣件，開展增材制造成形工藝微重力影響的效應(yīng)地面試驗，即通過推壓擠出方向上重力變化引起的效應(yīng)（試驗裝置、打印件都處于重力作用的狀態(tài)下，而不是失重狀態(tài)）分析重力對擠出的影響。

重力改變對增材制造技術(shù)影響的研究工作：NASA馬歇爾航天飛行中心于1999年進(jìn)行了模擬微重力環(huán)境中的效應(yīng)試驗，將一臺商用FDM單元自由懸吊在旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的一邊，做了第一次試驗，并成功制作了零件[6];北京衛(wèi)星制造廠有限公司進(jìn)行了變重力成形試驗研究，采用調(diào)整增材制造設(shè)備擺放角度營造不同的重力環(huán)境，間接分析微重力環(huán)境對成形過程的影響;航天恒星科技有限公司設(shè)計了微重力試驗平臺并開展了微重力電子元件增材制造設(shè)備的研究[7]。

2 試驗方法研究

2.1 重力的影響

受零重力影響，以粉末為成形材料的金屬/非金屬增材制造技術(shù)如激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting，SLM）、激光熔覆沉積（Laser Engineered Net Shaping，LENS）、激光選區(qū)燒結(jié)（Selective Laser sintering，SLS）等難以適用于在軌增材制造。以絲材為成形材料的金屬增材制造技術(shù)EBF3以及非金屬增材制造技術(shù)FDM因其真空環(huán)境可成形性及良好適用性成為空間增材制造研究熱門，如圖1所示。

空間零重力、高低溫交變環(huán)境直接導(dǎo)致成形過程中聚合物及其復(fù)合材料層間結(jié)合機(jī)理、金屬材料熔滴過渡行為與地面環(huán)境差異巨大，嚴(yán)重影響成形性能。如零重力使熔滴無法自由過渡，堆積層間結(jié)合大幅減弱。高低溫交變使材料凝固行為及組織轉(zhuǎn)變發(fā)生復(fù)雜變化，成形件內(nèi)應(yīng)力及性能分布不均。高真空使材料冷卻速度急劇下降，熱積累嚴(yán)重，上述問題輕則導(dǎo)致所成形金屬/非金屬構(gòu)件缺陷增加、性能下降、變形嚴(yán)重，重則導(dǎo)致無法順利成形。

地球表面為1G重力環(huán)境，而太空處于真空狀態(tài)，微重力的值通常為地面重力的萬分之一，只有10-4G?？臻g環(huán)境的微重力條件下，流體中的浮力對流、重力沉降、液體壓力梯度等現(xiàn)象基本消失，導(dǎo)致流體形態(tài)和物理/化學(xué)過程等發(fā)生顯著變化，進(jìn)而影響材料的加工及制備過程，如制造過程中的材料放置、粉末的流動平穩(wěn)性、合金中元素的偏析和焊接的穩(wěn)定性等。

重力對增材制造最顯著的影響為重力將產(chǎn)生所謂的靜壓力效應(yīng)。在重力環(huán)境下，流體內(nèi)同一重力加速度面上的流體分子有相同的加速度和速度增量，流體的特性使這種速度增量得到累加和傳遞，進(jìn)而在流體內(nèi)部存在靜壓強(qiáng)，當(dāng)重力減弱到接近于零時，靜壓強(qiáng)將會消失。靜壓力效應(yīng)對增材制造的送料、相變?nèi)廴凇⑷廴隗w輸送、接觸鋪展和固化粘接凝固等階段均會產(chǎn)生影響。特別在固化粘接凝固階段，靜壓力效應(yīng)將顯著影響材料的固化沉積過程。隨著重力的變化或消失，材料的沉積機(jī)理將發(fā)生改變，進(jìn)而在宏觀上會使所打印樣件的外形尺寸和力學(xué)性能發(fā)生改變。

2.2 試驗方法研究

地面上無法長時間模擬失重狀態(tài)，但經(jīng)分析可知，重力變化對增材制造成形過程的影響主要體現(xiàn)在材料擠出方向上重力變化所引起的效應(yīng)。將增材制造設(shè)備打印噴頭進(jìn)行力學(xué)簡化并進(jìn)行受力分析，如圖2所示，設(shè)沉積方向與重力方向的夾角為α，則此時重力在沉積方向的投影為gcosα。試驗中，通過變角度裝置來改變打印材料沉積方向上的重力量級，間接分析空間微重力環(huán)境對3D打印成形過程的影響。

在試驗時，在8個特征方向下進(jìn)行樣件打印，如圖3所示。

在打印樣件時，為避免其他因素影響打印結(jié)果，設(shè)置相同的打印溫度、打印層高、填充率等打印參數(shù)。

對于每種材料，測試不同打印方向所得樣件的外形尺寸和力學(xué)性能。外形尺寸包括測試樣件長度、寬度和高度等參數(shù)。力學(xué)性能包括測試樣件的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度等參數(shù)。在測試時，對每個打印方向下的參數(shù)值，需計算該方向下所有樣本該參數(shù)值的統(tǒng)計量。記第i個打印方向所得第j個樣本的參數(shù)測量值為xij，則第i個方向下該參數(shù)的均值i和標(biāo)準(zhǔn)差six分別為

式中：n為樣本數(shù)量，根據(jù)相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)，在試驗中取n=5。

除微重力環(huán)境模擬外，高真空和高低溫交變亦是空間環(huán)境的主要特征。將試驗裝置與其他環(huán)境試驗設(shè)備結(jié)合使用可開展綜合模擬試驗，完成樣件打印。

基于樣件的拉伸、彎曲和剪切強(qiáng)度的統(tǒng)計結(jié)果，繪制不同環(huán)境下不同打印方向所得樣件三類強(qiáng)度的棒狀圖，基于棒狀圖結(jié)果分析其他因素單獨作用或共同作用對樣機(jī)打印所得樣件力學(xué)性能的影響。

3 地面試驗裝置方案

在地面試驗中實現(xiàn)對空間運動結(jié)構(gòu)的重力卸載，模擬微重力狀態(tài)，使得增材制造設(shè)備具備類似于微重力狀態(tài)下的動力學(xué)特性，為此設(shè)計了一種微重力場增材制造地面環(huán)境模擬試驗裝置（圖4），包含一套自動控制機(jī)構(gòu)、一套手動控制機(jī)構(gòu)，如圖5所示。

自動控制機(jī)構(gòu)包括步進(jìn)電機(jī)、蝸輪蝸桿減速器及角度傳感器等，可通過電機(jī)驅(qū)動增材制造設(shè)備翻轉(zhuǎn)至任意角度。因工作環(huán)境特殊，選用適用于真空環(huán)境的電機(jī)。減速器采用蝸輪蝸桿傳動方式，蝸桿頭數(shù)為1，保證減速器具有自鎖功能。

手動控制機(jī)構(gòu)包括搖柄、齒輪、刻度盤和限制齒輪等。通過轉(zhuǎn)動搖柄，帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)裝置的角度翻轉(zhuǎn)，當(dāng)翻轉(zhuǎn)到一定角度后，采用限制齒輪方式實現(xiàn)固定。

將增材制造設(shè)備固定在轉(zhuǎn)接盤上，通過自動控制機(jī)構(gòu)或者手動控制機(jī)構(gòu)，可以將增材制造設(shè)備旋轉(zhuǎn)到任意角度，并且可以根據(jù)需要進(jìn)行自動或手動控制的迅速切換，實現(xiàn)增材制造過程中的效應(yīng)試驗?zāi)M。

按照增材制造設(shè)備重量250 kg，針對變角度成形試驗實施方法，對地面試驗裝置進(jìn)行強(qiáng)度分析。經(jīng)分析，裝置最大變形為0.049 7 mm，其變形趨勢大致描述為設(shè)備箱體整體沿重方法向下移動。對裝置結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行強(qiáng)度分析，最大Mises應(yīng)力發(fā)生在側(cè)板根部，最大值為9.10 MPa。底座框架的最大Mises應(yīng)力發(fā)生四周的豎向桿上，最大應(yīng)力為5.108 MPa。整體看，底座和增材設(shè)備所形成的結(jié)構(gòu)在自重作用下，其整體變形量較小并且最大應(yīng)力也較小，滿足使用要求。

4 結(jié)論

空間增材制造已成為未來技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的方向。如何在地面環(huán)境條件下對空間零重力環(huán)境進(jìn)行有效模擬，是對空間增材制造成形工藝開展有效評估的關(guān)鍵。

為此，本文提出一種面向空間增材制造的微重力環(huán)境地面模擬試驗方法，基于效應(yīng)試驗原理采用變方位矩陣式增材制造對比驗證，剔除重力對增材制造成形的影響。本文完成了微重力場增材制造地面環(huán)境模擬試驗裝置方案設(shè)計，該裝置可以通過自動控制機(jī)構(gòu)或者手動控制機(jī)構(gòu)，將增材制造設(shè)備旋轉(zhuǎn)到任意角度，可實現(xiàn)對增材制造過程的效應(yīng)試驗?zāi)M。同時，開展了微重力環(huán)境試驗研究，對空間增材制造成形工藝過程進(jìn)行實際模擬與驗證，為增材制造地面微重力環(huán)境試驗提供參考。

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第一作者簡介：賈磊（1985-），男，碩士，高級工程師。研究方向為機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計。

*通信作者：胡玉龍（1989-），男，碩士，工程師。研究方向為機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計。