添加剂在太空

通过增材制造降低航空航天成本

航天器在地球上开发，测试，完全组装，并由运载火箭整体运送到各自的操作地点。每个部件的设计必须能够承受发射阶段的高负荷。在大多数情况下，除了复杂的测试程序之外，这还会导致航天器组件的结构过大，因为在轨道上它们只承受了火箭发射时必须承受的应力的一小部分。例如，运载火箭运输所需的最大起飞质量和卫星的体积，因此造成了很高的空间运输成本。同时，火箭内部空间受到限制，从一开始就限制了航天器的设计。目前正在寻找能够扩大未来太空任务可能性、节省资源和降低成本的方法。

一种可能的方法是使用生成制造直接在轨道上直接制造航天器组分。生成技术在现场提供高效和敏捷的组件。慕尼黑应用科学大学的AIMIS-FYT团队正在开发和研究一种用于此目的的添加剂制造方法，其中结构的生产在零重力中发生。太空旅行所需的元素不必满足高发射要求，但可以精确定制到任务要求。该过程正在研究零重力的抛物线飞行 - 由IDS的UEYE CP工业摄像机支持。

对于这种添加剂制造过程，也称为“原位制造”（拉丁原位'到位'），该团队开发了一种具有挤出机的3D打印机，可以分配液体光聚合物的挤出机。“我们的3D印刷过程可以使用紫外线固化粘合剂或灌封化合物直接在空间中打印三维结构，”Aimis-Fyt团队的新闻官员表示，解释了这项技术的特色。与传统的3D打印机一样，与传统的3D打印机的情况一样，由传统的3D打印机的情况而不是通过图层创建组件层，而不是通过打印头的三维运动来创建它们。通过UV光的施加，树脂在短时间内自由地挤出到零重力的空间中并使硬化。结合失重，这使得可以制造而没有由于地球上的重力而通常存在的形状限制。典型的形状限制例如是在地球上不可能的长突出，或者只能用精细的支撑结构制造。在零重力中，甚至可以产生没有固定锚点的组件，例如压板。

图:在失重状态下成功3D打印“斜杆”[图片:AIMIS-FYT]

该生产工艺能够实现各种各样的设计，例如用于太阳能电池板或天线的印刷结构。例如，可以想到抛物线天线的镜子的产生或用于安装太阳能发电机的桁架结构的制造。这应该特别感兴趣的是微卫星的制造商和分销商甚至是整个卫星星座，他们都可以使用它来减少其单位成本和将其系统运送到轨道的发射成本。此外，在轨道上组装的航天器块的减少储蓄资源，可以通过在船上取更多燃料来增加任务的寿命。“对于卫星，燃料通常是限制因素;目前，它通常持续大约15年，”Torben Schaefer解释道。

图：树脂通过紫外线辐射治愈[图片：Aimis-Fyt]

应用程序
制造过程中最重要的过程是印刷过程本身。这主要由3个阶段组成:

1. 借助挤出机挤出树脂
2. 树脂在零重力下以粘性状态从喷嘴中流出
3. 通过UV LED固化树脂。

图：3D打印的四个基本操作

图：零重力的成品桁架结构 - 来自IDS相机的细节拍摄[图片：Aimis-Fyt]

对直杆的印刷、杆的连接和自由形杆的制作进行了测试。在一种情况下，一个传统的印版用作印刷的起点;在另一种情况下，研究了自由浮动的印刷杆的行为。

印刷过程的主要参数是树脂的挤出速度、紫外光强度、紫外光时间和轨迹，即打印机的运动轨迹。“在我们的印刷过程中，精确、压力稳定和恒定的介质输送非常重要。同时，在整个过程中，参数应该保持恒定。”Torben Schaefer解释道。IDS赞助的USB 3摄像头密切关注着这个过程:它近距离观察打印机的喷嘴，并总是相对于它移动。这样，相机跟随喷嘴的每一个动作，并始终精确聚焦。图像被裁剪成这样，在喷嘴下方4.5厘米处可以捕捉到棒状结构。IDS摄像机在此为树脂的放电和固化提供了非常重要的结果。固化所需的UV led会产生强烈的过度曝光，这意味着恶劣的光照条件盛行。IDS产品组合中的U3-3260CP没有问题:具有成本效益的2.30 MPixel索尼传感器IMX249 (1920 x 1200 px)，它在光敏度和动态范围方面设置了特别高的标准。这使得5.86 μ m像素的全局快门CMOS传感器注定要用于这样的应用，即使在困难的照明条件下也能提供完美的结果——在这种情况下，由于过度曝光而产生的强亮度。

为了能够进一步分析喷嘴在零重力下的出口行为，该过程以较慢的速度进行。必须精确地捕捉杆的轮廓。“因此，相机的高帧率和分辨率对于高质量的评估至关重要，”AIMIS团队的Torben Schaefer解释说。IDS摄像机的帧率为47.0帧/秒，确保了出色的图像质量和极低的噪声，这是它在空间任务的完美条件。但相机的简单集成也说服了研究团队。

软件
“在IDS SDK的帮助下，我们能够将相机与基于C ++的监控系统无缝地集成到我们的C ++的监控系统中，”TorbenSchäfer说。根据他，这是传感器的所有数据会聚的地方，并提供打印机的当前状态的全面概述和各个打印参数。“我们可以单击开始和停止录制IDS相机和所有其他测量。由于抛物线飞行只有二十秒的重力，并且在两个抛物线之间突破了一个半分钟，我们只有以目标方式启动和停止测量和录音，才能储蓄最重要的信息。“此外，在IDS软件的帮助下，在监视器上显示打印过程的实时图像。“这个现场饲料使我们更容易设置并快速分析打印头。”

图：在ESA计划FYT的抛物线飞行期间，零重力占付20秒钟[图片：AIMIS-FYT]

前景
实验结果将用于进一步优化四种基本3D打印操作的打印过程(直杆、带起止点的直杆、自由形状的棒以及棒之间的连接)，并证明零重力下增材制造的主要功能。其目的是在太空中测试这项技术，因为它提供了大幅降低太空技术组件成本的机会。“通过aim - fyt项目，我们有机会积极塑造太空旅行的未来，”aim - fyt团队的项目经理Michael Kringer说。这款功能强大的小型IDS摄像机已经成功地为未来的地球和太空任务推荐了自己。

客户端/大学
AIMIS- fyt: AIMIS是“空间增材制造”(Additive Manufacturing In Space)的缩写，是慕尼黑应用科学大学(Munich University of Applied Sciences)航空航天工程专业的四名学生组成的团队的名字。作为欧洲航天局(ESA)运动的一部分，AIMIS-FYT(太空增材制造-放飞你的论文)团队正在参加零重力实验。IDS作为其大学赞助计划的一部分陪伴团队。

关于IDS成像开发系统有限公司
工业相机制造商IDS成像开发系统有限公司开发高性能、易于使用的USB、GigE和3D相机，具有广泛的传感器和变型。几乎无限的应用范围涵盖多个非工业和工业部门的设备，工厂和机械工程领域。除了成功的CMOS相机，该公司还扩展了基于视觉应用程序的智能相机的产品组合。IDS NXT是一种新颖的图像处理平台，可以自由编程，功能非常广泛。

IDS成立于1997年，是一家只有两个人的公司，现已发展成为一家拥有300多名员工的独立的、通过iso认证的家族企业。总部位于德国奥伯苏姆，是一个开发和生产基地。IDS在美国、日本、韩国、英国等地设有分支机构，在国际上均有分支机构。