用于空间光学仪器的增材制造铝合金

当扎克·波斯特(ZachPost)接洽领导一项研究开发增材制造(俗称3D打印)框架(一种用于检测空气污染的新型太空仪器)时，他不能错过这个机会。

波斯特是马里兰州劳雷尔约翰霍普金斯大学应用物理实验室(APL)的材料工程师，他有兴趣扩大自己在增材制造样品和零件制造方面的职业生涯，包括执行前后发生的数据分析。在这里，一个正在做的项目正好落到了他的手中。

“这是一个令人兴奋的机会，完全符合我的目标和兴趣，真正了解加工如何改变材料的性能，”波斯特说。

然而，没有人预料到该项目也会在增材制造界引起轰动。Post与APL和荷兰应用科学研究组织(TNO)的团队成员共同撰写的论文描述了该团队选择仪器材料和打印工艺的框架，现已获得两项奖项：铝合金轻金属学科奖和轻金属主题奖。轻金属总奖，均由美国最大的材料协会之一矿物、金属和材料协会(TMS)颁发。

该团队于3月6日在佛罗里达州奥兰多举行的TMS2024年会上获奖。该论文发表在会议论文集LightMetals2023中。

“我们甚至没有考虑到这篇论文会被考虑获得一个奖项，更不用说两个奖项了，”APL电气和计算机工程师、《邮报》的顾问、负责监督印刷过程的研究合著者沃尔特·津贝克(WalterZimbeck)说。

但作为一个新兴领域，增材制造仍然很少能如此明确、直接地应用于最终产品。团队中的许多人认为这一事实使论文脱颖而出：从一开始就考虑到应用，并允许这种愿景磨练材料表征、开发和选择的过程。

新方法

推动该项目的空间仪器是紧凑型高光谱空气污染传感器演示器(CHAPS-D)。该仪器小到足以安装在鞋盒大小的卫星上，将携带传感器和专门设计的镜子，其强大的功能足以隔离近地轨道约半平方英里(1平方公里)内的空气污染源，这是一种无与伦比的能力。

NASA地球科学部门于2019年资助了该项目，并要求该项目以某种方式包括增材制造。该方法能够更快、更便宜地制造零件，其重量仅为使用典型加工程序制造的零件的一小部分，这使其对航天工业具有吸引力，因为时间、成本和重量限制是航天工业的常态。

“你不必加工一些困难或不可能的东西，也不必花时间组装它，”CHAPS-D首席研究员、APL的比尔·斯沃茨(BillSwartz)说。“理论上，你可以直接打印出来。”

鉴于CHAPS-D的小型化，APL研究和探索开发部门的增材制造工程师及其来自TNO的合作者决定使用拓扑优化来设计仪器，拓扑优化是一种调整结构中材料分布的计算方法，因此仅在绝对必要的情况下使用必要时——并打印出仪器的主体。

但斯沃茨说，使用什么材料并不简单。激光粉末床融合(团队将使用的增材制造技术)依赖于金属粉末(在本例中为铝)，激光将金属粉末熔化以逐层形成设计的零件。

这些粉末通常含有微量金属，根据其浓度，这些金属可以显着改变材料的性能，使其更强或更弱、更脆或更具有延展性。此外，激光的功率、扫描速度、相邻激光路径之间的重叠程度以及使用的机器也会改变最终产品的材料特性。

波斯特说：“您不仅仅是为应用选择合金;您还要选择合金和加工参数，然后形成最终材料。”

以CHAPS-D所需的材料特性为指导，该团队将可能的材料范围缩小到只有三种合金。然后，它必须找出一个测试和评估框架来分离出最好的合金和理想的制造工艺。

APL制造技术首席科学家、论文合著者SteveStorck已经开始铺平道路。在之前的一个内部项目中，他的团队创建了一个使用快速建模的流程，这是一种采用快速采样技术的快速设计程序。他说，因此，APL现在拥有一些世界上最快的方法来开发增材制造工艺的材料特性，在某些情况下，只需一周即可完成以前需要大约三年才能完成的工作。

“这项新技术使APL能够比现场更快地开发材料，”斯托克说。“我们开发了机器学习和向下选择技术，使我们能够有效地了解每个变量如何耦合在一起以及最终如何影响最终性能。”

利用这种快速技术并根据CHAPS-D的具体材料要求进行定制，该团队在短短六个月内就分离出了材料和流程。最终最终选择了一种名为Scalmalloy的高强度铝合金，正如Storck所说，“铝的甜茶”，因为用糖使甜茶过饱和的过程(加热)也用于使钪元素使Scalmalloy过饱和。。

事实证明，这种材料的打印仍然很棘手，因为设计需要大量的支撑。团队花了四次尝试才使打印效果恰到好处，由于其优化的设计，最终产品显得超凡脱俗——一块石板灰色的金属，上面有缝隙和纵横交错的支柱，使它看起来几乎是活的，甚至是外星人。

“我第一次看到它时，我想，‘这看起来像是来自外太空的东西，而不是我们放入外太空的东西，’”津贝克打趣道。

新应用

考虑到对增材制造感兴趣的商业公司和其他组织可能会发现他们的工艺有用，Post获得了资金来整理这篇论文，并通过内部拨款在2023年TMS会议上展示该项目。十个月后，团队接到获奖通知。

APL研究与探索中心极端和多功能材料科学项目经理MorganTrexler表示：“该项目确实是我们APL如何使用增材制造来增强技术或实现原本不可能实现的新颖功能的一个很好的例子。”发展任务区。“这是利用强大的研究为任务应用程序提供新功能的一个很好的例子。”

在APL，该技术很快在其他项目中得到应用，包括太空、海底和高超音速应用。

至于CHAPS-D仪器，该团队正在开发飞行版本，为今年9月在空中国王B200飞机上进行的预定测试做准备。

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