3D打印技术参考注意到，美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)和NASA的研究人员于近日展示双方合作3D打印的月球车车轮原型，显示了该技术在制造对太空探索至关重要的专用部件方面的潜力。
该部件基于一辆名为挥发物调查极地探测车(缩写为VIPER)的月球车，它是NASA“阿耳忒弥斯”(Artemis)计划的一部分，负责探寻月球极地的水资源。此次3D打印的月球车车轮就是基于该探测车的设计，NASA打算在2024年部署这款探测车，用于绘制月球南极的冰和其他资源地图。
ORNL和NASA 3D打印的月球车车轮原型，将对其进行测试并与传统制造的车轮进行比较
NASA机械设计工程师（左）和ORNL研究员（右）检查3D打印的月球车轮原型（图片来源：CarlosJones，ORNL/美国能源部）
该原型车轮由镍基合金制成，宽度约203mm，直径为508mm。使用3D打印，该团队实现了复杂的轮圈设计，没有额外的成本或制造挑战。相比之下，实际将在月球上工作的VIPER车轮需要多个制造工艺和组装步骤，VIPER的50片轮辋由360个铆接接头固定在一起。为了满足任务的严格要求，制造过程需要复杂且耗时的机械加工。
如果3D打印的车轮与传统制造的车轮的坚固性相匹配，未来的探测器车轮可能会选择这种单打印轮圈，该轮圈在ORNL只花了40个小时就生产出来。3D打印工艺引入了倾斜侧壁、圆顶形状和波浪形胎面等功能，从而增强了车轮的刚度。
3D打印允许将精细的设计细节（如圆顶形状的波浪胎面）纳入原型月球轮中（图片来源：CarlosJones，ORNL/美国能源部）
美国宇航局机械设计工程师兼休斯敦美国宇航局约翰逊航天中心增材制造实验室经理理查德·哈根表示，“许多车轮特征的加入只是为了强调增材制造的用途，它可以轻松实现传统工具甚至传统加工难以实现的设计功能。”尽管3D打印的轮子原型并非注定要登上月球，但其符合NASA VIPER轮子的设计标准。进一步的测试将评估这种设计及其制造方法，以用于未来的太空任务。
增材制造可以减少能源消耗、材料浪费和交货时间，还支持复杂的设计并允许定制材料属性。美国能源部的制造示范设施十多年来一直引领此类技术，并于2022年使用3D打印机开发了车轮原型。这台打印机的大小足以容纳一个人，其配备两台同步激光器和一个旋转的构建板，以选择性地将金属粉末熔化成所需的结构。
打印月球车轮原型的团队成员在3D打印机前展示成果（图片来源：CarlosJones，ORNL/美国能源部）
“在相同的激光功率下，这极大提高了生产率”，负责新型激光粉末床熔融系统开发的Peter Wang表示，并补充说沉积速度提高了50%。“我们只是触及了该技术的皮毛，我真的认为这将是激光粉末床打印的未来，尤其是大规模和批量生产。”王和项目团队成员最近发表了一项研究，分析了电动机等打印组件技术的可扩展性。
3D打印简化了车轮设计并降低了成本
尽管为车轮提供了更复杂的辐条结构和锁定功能，但3D打印简化了车轮设计并降低了成本，并使最终组装制造变得更加容易。Wang强调，打印机的独特性与团队在自动化和机器控制方面的专业知识相匹配。研究人员利用橡树岭国家实验室开发的软件将车轮的设计进行了分割——两个激光器可均匀分配工作——从而实现高效生产。
该打印机仅适用于特定材料，因此也有局限性。当打印厚度相似时，3D打印的车轮比VIPER的铝制车轮重50%。NASA打算在NASA约翰逊航天中心或专门的测试设施的流动站上测试这种3D打印车轮的性能，评估各种性能指标。
挥发物调查极地探测车(VIPER)
VIPER月球车测试（2022年1月）
作为阿耳忒弥斯计划的一部分，在月球上建立的载人研究站将需要地外制造能力。“能够在太空中制造维修零件非常重要，因为你无法获得足够的备件，用于打印的粉末、颗粒或长丝更容易包装，并且具有更大的灵活性“，哈根表示。
橡树岭国家实验室的研究人员监测原型月球轮的打印过程
“增材制造提供了灵活性，只要有原料，就可以制造所需要的任何替换零件，无论是在太空还是在地球上，”橡树岭国家实验室火星车轮项目的负责人布莱恩·吉布森表示。这就是增材制造引起一系列替代需求的原因，从快速制造的模具到难以采购的铸件和锻件。对于太空探索，3D打印最终可以使用来自月球或火星的当地材料作为原料。
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延伸阅读：
1.视频：NASA 5700万美元支持月球基地3D打印技术研究
3.62页成果下载：ASTM发布由NASA支持的增材制造现场监控技术战略指南
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