ZORTRAX 推出新型太空級(jí)3D 打印長絲：Z-PEEK

導(dǎo)讀：航空航天材料因?yàn)樾枰?jīng)受特殊的太空環(huán)境，需要具有抗輻射、耐高溫和耐磨性。在3D打印領(lǐng)域，制造商通常會(huì)選用PEEK材料進(jìn)行改性。波蘭Zortrax為Endureal 工業(yè) 3D 打印機(jī)開發(fā)超強(qiáng)太空級(jí)長絲Z-PEEK，且已在近地軌道及更遠(yuǎn)的空間環(huán)境中成功測試。

南極熊獲悉，波蘭 3D 打印機(jī)制造商Zortrax于2021年5月31日推出了新型太空級(jí)3D打印長絲：Z-PEEK。據(jù)悉，Z-PEEK 的強(qiáng)度重量比與不銹鋼相當(dāng)，能夠承受極端溫度。Z-PEEK制成的聚合物-金屬齒輪副能夠以 1600 轉(zhuǎn)/分鐘的速度工作，并被發(fā)射到國際空間站，在沒有屏蔽的情況下暴露在太空環(huán)境中46 個(gè)月。目前，Zortrax已將材料制成適配于Endureal工業(yè) 3D 打印機(jī)的長絲。

△用Z-PEEK打印的航天器萬向節(jié)抗輻射軸承環(huán)。照片來自 Zortrax。

Z-PEEK材料

經(jīng)測試，3D打印Z-PEEK的拉伸強(qiáng)度為100MPa，斷裂伸長率為28%，彎曲強(qiáng)度為130MPa。耐輻射、耐極端溫度和長期磨損。據(jù) Zortrax稱，材料已在歐洲航天局（ESA）位于荷蘭的ESTEC通過熱真空空間資格測試。測試中，Z-PEEK 在-70°C~130°C 之間進(jìn)行了 500 次循環(huán)，測試結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)或機(jī)械性能沒有不利影響。而快速冷卻測試結(jié)果表明，材料能夠承受低至-196°C的低溫。

△Z-PEEK足夠堅(jiān)固，可在負(fù)載下高速運(yùn)行齒輪。照片來自 Zortrax。

其他研究證實(shí)，在聚合物-金屬滑動(dòng)系統(tǒng)中，Z-PEEK在 1600 rpm、1 Nm 負(fù)載下進(jìn)行了超過 2200 萬次循環(huán)測試。并且產(chǎn)生的碎屑很少，使用壽命超過了同類產(chǎn)品。Z-PEEK還具有出色的耐化學(xué)性，可以與各種潤滑劑一起使用，確保機(jī)械設(shè)備順利運(yùn)行。此外，材料能夠承受很大壓力并且具有特別低的滲透性。能夠作為化工或石油工業(yè)中泵、密封件或墊圈材料。

△耐壓泵：分離式支撐結(jié)構(gòu)可以搭配使用Z-PEEK與Z-SUPPORT HT。

目前，Zortrax 正在使Z-PEEK 可在 Endureal 機(jī)器上使用，并與Z-SUPPORTHT支撐材料配合打印。公司建議在使用材料之前采用自動(dòng)干燥程序，并在打印完成后采用自動(dòng)退火過程。這兩個(gè)步驟都可以用 Endureal打印機(jī)執(zhí)行。

3D打印的太空挑戰(zhàn)

太空不同于地球，沒有空氣、沒有對(duì)流、沒有傳熱過程，環(huán)境熱量分布極其不均勻。近地球軌道上的航天器面對(duì)太陽的表面暴露在高達(dá)140 °C 的溫度下，而背對(duì)太陽的表面冷卻至 -100 °C。因此，對(duì)材料的需求特別具有挑戰(zhàn)性。太空材料需要同時(shí)承受兩種極端溫度，在極熱和極冷條件下都能夠正常工作，并且能夠適應(yīng)溫度的快速變化。另外，因?yàn)橛钪嬷械妮椛鋯栴}，在為空間應(yīng)用選擇材料時(shí)，長期輻射、原子氧轟擊和發(fā)射過程中暴露在外的強(qiáng)振動(dòng)部件等因素都需要考慮在內(nèi)。

△3D 打印 PEEK 墊片： Z-PEEK打印的石油行業(yè)管道密封件。

為了測試 PEEK 的太空準(zhǔn)備情況，日本航天局JAXA將Z-PEEK樣品發(fā)射到國際空間站并進(jìn)行了徹底的測試。作為 MPAC 和 SEED 實(shí)驗(yàn)的一部分，在軌道上，測試樣品在沒有任何屏蔽的情況下暴露在太空環(huán)境中長達(dá)46 個(gè)月。更重要的是，樣品被放置在支架中，施加不同程度的應(yīng)力，以檢查空間條件是否對(duì) PEEK 機(jī)械性能有任何影響。檢查后，除了輕微變色和脆性增加外，PEEK 沒有任何明顯降解跡象。材料的彈性模量因?yàn)樵诟咚阶贤饩€照射下有所降低，而然原子氧轟擊、帶電粒子和其他條件對(duì)PEEK 沒有影響。這表明Z-PEEK 能夠勝任各種太空任務(wù)。

△Zortrax的 Endureal 系統(tǒng)，用于 3D 打印 Z-PEEK 零件。照片來自 Zortrax。

從遠(yuǎn)古時(shí)代開始對(duì)于太空探索就有著無可比擬的熱忱，3D打印技術(shù)的出現(xiàn)有望降低太空探索的成本，成為走向太空的一大利器。NASA已經(jīng)計(jì)劃使用大型3D打印技術(shù)制造火箭發(fā)動(dòng)機(jī)；美國德州的火箭工程實(shí)驗(yàn)室也受到EOS的支持制造3D打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組件；加州火箭和導(dǎo)彈推進(jìn)器制造商Aerojet Rocketdyne更是在2021年5月完成了RL10C-X上層火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的熱火測試。3D打印技術(shù)還在其他方面對(duì)太空探索做出貢獻(xiàn)：上海復(fù)志Raise3D為SpaceX火箭回收再發(fā)射提速；ICON為美國阿爾忒彌斯登月計(jì)劃學(xué)生建造3D打印火箭發(fā)射臺(tái)。為加速3D打印在太空中的應(yīng)用，各個(gè)國家正在積極部署、開發(fā)新型太空工業(yè)級(jí)3D打印系統(tǒng)。例如，英國太空發(fā)射公司Orbex委托AMCM建造歐洲最大SLM 3D打印機(jī)，歐洲航天局ESA與德國航空航天公司OHB和Azimut Space、愛爾蘭共和國阿斯隆技術(shù)學(xué)院以及葡萄牙3D打印機(jī)提供商BEEVERYCREATIVE積極開發(fā)無限尺寸FFF高溫3D打印機(jī)。而太空3D打印制造公司Redwire也隨著發(fā)展浪潮在紐交所SPAC上市。南極熊相信，3D打印技術(shù)在未來會(huì)更加深入航空航天領(lǐng)域，為人類的太空事業(yè)做出貢獻(xiàn)。

參考資料

1. Z-PEEK: Space-Grade 3D Printing Filament
2. 3D打印推動(dòng)太空探索的成本下降，將成為人類走向太空的一大利器
3. NASA將會(huì)使用大型3D打印技術(shù)來制造未來的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)
4. EOS支持德州大學(xué)學(xué)生參加太空挑戰(zhàn)賽，3D打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組件
5. 完成熱火測試！3D打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)有望飛向太空，AerojetRocketdyne
6. 上海復(fù)志Raise3D為SpaceX火箭回收再發(fā)射提速
7. ICON為美國阿爾忒彌斯登月計(jì)劃學(xué)生建造3D打印火箭發(fā)射臺(tái)
8. 打印火箭！英國太空發(fā)射公司Orbex委托AMCM建造歐洲最大SLM 3D打印機(jī)
9. 太空制造：無限尺寸高溫FFF 3D打印機(jī)，歐洲航天局資助
10. 太空3D打印制造公司Redwire將借殼在紐交所上市