Когда Заку Посту предложили провести исследование по разработке основы для аддитивного производства (в просторечии называемого 3D-печатью) нового космического прибора для обнаружения загрязнения воздуха, это была возможность, которую он не мог упустить.

Инженер по материалам Лаборатории прикладной физики Джонса Хопкинса (APL) в Лореле, штат Мэриленд, Пост был заинтересован в расширении своей карьеры в производстве образцов и деталей, изготовленных аддитивным способом, включая выполнение анализа данных, который происходит до и после. И вот проект, делающий именно это, упал прямо ему на колени.

«Это была захватывающая возможность, которая идеально соответствовала моим целям и интересам, — увидеть, как обработка может изменить характеристики материала», — сказал Пост.

Однако никто не ожидал, что проект также произведет большой фурор в сообществе аддитивного производства. Документ, описывающий структуру команды для выбора материала инструмента и процесса печати, которую Пост написал совместно с членами команды из APL и Нидерландской организации прикладных научных исследований (TNO), теперь получил две награды: премию Light Metal Object Award за алюминиевые сплавы и общая награда в области легких металлов от Общества минералов, металлов и материалов (TMS) — одного из крупнейших обществ материалов в Соединенных Штатах.

Команда получила награды 6 марта на ежегодном собрании TMS 2024 в Орландо, Флорида. Статья опубликована в сборнике материалов конференции « Легкие металлы 2023» .

«Мы даже не предполагали, что эта статья будет рассматриваться для одной награды, не говоря уже о двух», — сказал Уолтер Зимбек, инженер по электротехнике и вычислительной технике APL, советник Post и соавтор исследования, курировавший процесс печати.

Но аддитивное производство, будучи новой областью, до сих пор редко имеет такое четкое и прямое применение к конечному продукту. Именно этот факт, по мнению многих членов команды, и выделил эту статью: с самого начала мы учитывали ее применение и позволяли этому видению оттачивать процесс описания, разработки и отбора материала.

Новые методы

Космическим прибором, послужившим основой для реализации проекта, стал компактный гиперспектральный демонстратор датчика загрязнения воздуха (CHAPS-D). Достаточно маленький, чтобы поместиться на спутнике размером с коробку из-под обуви, прибор будет оснащен датчиками и специально разработанными зеркалами, достаточно мощными, чтобы изолировать источники загрязнения воздуха на расстоянии примерно половины квадратной мили (1 квадратный километр) от низкой околоземной орбиты, что является беспрецедентной возможностью.

Отдел наук о Земле НАСА профинансировал проект в 2019 году с просьбой включить в него аддитивное производство. Способность этого метода быстрее и с меньшими затратами создавать детали, вес которых в разы меньше тех, которые создаются с использованием типичных процедур механической обработки, сделала его привлекательным для космической отрасли, где ограничения по времени, стоимости и весу являются нормой.

«Вам не придется обрабатывать что-то сложное или невозможное или тратить время на сборку», — сказал Билл Шварц из APL, главный исследователь CHAPS-D. «Теоретически вы могли бы просто распечатать это».

Учитывая миниатюризацию CHAPS-D, инженеры по аддитивному производству из отдела исследований и разработок APL и их сотрудники из TNO решили спроектировать прибор с использованием топологической оптимизации — вычислительного метода, который регулирует распределение материала в конструкции, чтобы его можно было использовать только там, где это абсолютно необходимо. необходимо — и распечатайте корпус прибора.

Но какой материал использовать, было непросто, сказал Шварц. Лазерное плавление порошкового слоя (метод аддитивного производства, который будет использовать команда) основано на металлических порошках , в данном случае на алюминии, которые лазер плавит, чтобы слой за слоем сформировать спроектированную деталь.

Порошки часто содержат следы металлов, которые в зависимости от их концентрации могут существенно изменить свойства материала, делая его более прочным или слабым, более хрупким или более податливым. Более того, мощность лазера, скорость его сканирования, степень перекрытия соседних лазерных путей и используемое оборудование также влияют на свойства материала конечного продукта.

«Вы не просто выбираете сплав для применения; вы выбираете сплав и параметры обработки, которые затем приводят к конечному материалу», — сказал Пост.

Используя требуемые характеристики материала CHAPS-D в качестве ориентира, команда сократила количество возможных материалов до трех сплавов. Затем компании пришлось разработать систему испытаний и оценки, чтобы определить лучший сплав и идеальный производственный процесс.

Стив Сторк, главный научный сотрудник производственных технологий в APL и соавтор статьи, уже начал прокладывать путь. В предыдущем внутреннем проекте его команда создала процесс, использующий быстрое моделирование, быструю процедуру проектирования с методами быстрой выборки. В результате, по его словам, APL теперь обладает одними из самых быстрых в мире методов разработки свойств материалов для процессов аддитивного производства, в некоторых случаях за неделю можно выполнить то, на что раньше уходило около трех лет.

«Эта новая технология позволяет APL разрабатывать материалы быстрее, чем в полевых условиях», — сказал Сторк. «Мы разработали методы машинного обучения и понижающего отбора, которые позволяют нам эффективно видеть, как каждая переменная сочетается друг с другом и как это в конечном итоге влияет на конечную производительность».

Используя этот ускоренный метод и адаптируя его к конкретным требованиям CHAPS-D к материалам, команда изолировала материал и процесс всего за шесть месяцев. Он остановился на высокопрочном алюминиевом сплаве под названием Scalmalloy, «сладком алюминиевом чае», как выразился Сторк, потому что тот же процесс, который используется для перенасыщения сладкого чая сахаром — его нагревание — используется для перенасыщения Scalmalloy элементом скандием. .

Этот материал по-прежнему было сложно печатать, поскольку для конструкции требовалось значительное количество опор. Команде потребовалось четыре попытки, чтобы получить правильный отпечаток, и благодаря оптимизированному дизайну конечный продукт выглядит потусторонним — кусок грифельно-серого металла с зияющими отверстиями и перекрещивающимися стойками, которые делают его почти живым, даже инопланетным.

«Когда я впервые увидел это, я подумал: «Это похоже на что-то из космоса, а не на то, что мы отправили в космос», — пошутил Зимбек.

Новые приложения

Полагая, что коммерческие компании и другие организации, заинтересованные в аддитивном производстве, могут найти свой процесс полезным, Post получила финансирование для составления статьи и, посредством внутреннего гранта, представить проект на встрече TMS в 2023 году. Десять месяцев спустя команду уведомили о получении награды.

«Этот проект действительно является отличным примером того, как мы в APL используем аддитивное производство для улучшения технологий или реализации новых возможностей, которые в противном случае были бы невозможны», — сказал Морган Трекслер, менеджер программы «Наука экстремальных и многофункциональных материалов» в исследовательском и исследовательском центре APL. Зона миссии развития. «Это хороший пример использования серьезных исследований для создания новых возможностей для применения в миссиях».

В APL эта технология быстро нашла применение в других проектах, включая космические, подводные и гиперзвуковые приложения.

Что касается прибора CHAPS-D, команда работает над созданием летной версии в рамках подготовки к его плановым испытаниям на борту самолета King Air B200 в сентябре этого года.