超制造预期12个月，毅力号火星车的3D打印组件制造有多困难

X射线光谱仪（PIXL）位于毅力号2米长机械臂的末端

不考虑制造可能性，全力优化设计

在毅力号火星探测器上，NASA使用精密X射线光谱仪（PIXL）帮助寻找岩石中古代微生物的生命迹象。其位于毅力号2米长机械臂的末端，如饭盒一般大小，是火星车上的七种仪器之一。航天器任何结构的设计都需要承受发射时的超重，对于毅力号来说也是如此，而且它还要经受硬着陆以及火星巨大的温差导致的金属膨胀和收缩。对于PIXL来说，其外壳结构设计必须能够承受这些冲击。

NASA喷气推进实验室（JPL）的工程师在设计仪器套件时，就将100％的精力集中在组件的功能上，并没有考虑在传统技术下的制造可能性。在团队确定了实现所需功能的最佳设计后，他们才考虑如何生产组件，而最终发现，这些设计的某些特征只能通过3D打印技术予以实现。

PIXL安装在悬臂的末端，将用于分析火星表面岩石的化学成分

X射线光谱仪（PIXL）的外壳结构共由五个3D打印件组成

X射线光谱仪的外壳结构共由五个3D打印件组成：大尺寸薄壁前盖、纵深薄壁后盖、具有空心箱形梁结构的安装框架，以及用于X光机的工作台和工作台支架，均是空心薄壁结构。这些零件的壁厚在1-1.1毫米之间，复杂的表面在某些区域向外凸出，而在其他区域则向内凹进，保证PIXL实验包内外的仪器保持间隙。NASA要求供应商交付至少三套产品，一套飞行组件、一套试验台组件以及一套或多套附加组件，以供进行破坏性试验分析。

所有组件都必须保持在最大绝对重量以下，否则探测器将无法发射。关键仪器上的任何超重部件都可能导致其他实验失败，因此在权衡整个过程中可能的设计变更时，质量管理一直是头等大事。

PIXL外壳由五个3D打印组件组成

美国Carpenter Additive公司通过增材和减材生产技术以及创新的表面处理技术，为关键的PIXL组件制定了生产计划。为了制造零件，Carpenter Additive选择使用了电子束粉末床熔融技术（EBM）。激光粉末床熔融技术（SLM）通常被认为在薄壁、精细特征和零件表面质量方面表现更好，而EBM则在较大/较重和较厚的零件打印方面表现出色，这些工艺优势促使团队选择了后者。

由于EBM 技术需要高温预热，因此电子束腔室在为期数天的构建过程中，将组件保持在高温粉末中，并在12小时内缓慢冷却，从而有助于消除可能使精细特征变形的残余应力。此外，由于粉末床本身是通过该过程进行半烧结的，因此它可以在构建过程中充当支撑结构。对于PIXL组件，这消除了添加支撑的需要，同时也避免了非常严格的公差风险。Carpenter Additive增材制造技术总监戴维斯表示：“通常当我们评估这两种技术时，在制造上似乎很容易判断哪种技术更好，但这是一场激烈的竞争，EBM技术可能会以非正式的52/48的优势胜出。”

基于复杂的零件受力及质量要求，NASA和Carpenter Additive选择使用高强度和低密度的钛合金作为外壳材料，并使用Ti6Al4V 5+级以改善其机械性能。该材料的较高强度和良好的延展性，可保证薄壁零件在高度受力情况下具有至少930MPa的屈服强度和至少15％的延伸率。

在零件3D打印完成后，还需要经过热等静压处理，再进行开孔和支撑去除、超声波粉末去除、化学研磨、机械精加工以及最终加工。3D扫描检查对于团队在每个过程步骤之后验证结果至关重要。

戴维斯解释道：“机械加工的过程非常漫长，由于每种后处理的作用都非常明显，需要时常进行检查，制作人员必须知道是否或在多大程度上偏离了最终的零件模型，从而确定后续的处理步骤。热等静压可以使微观结构均匀化，但这是一个高温过程，可能会使零件变形，所以将不得不重新进行三维扫描。去毛刺和喷砂会使表面光滑，但也会改变尺寸特征，因此仍然需要重新测量。”

制造人员对每个过程步骤及其可能导致偏离规格的理解以及每个步骤如何影响下一步骤至关重要，这对于零件的成功构建至关重要。

比例因子的重要性

电子束粉末床熔化过程是一个加热、膨胀、熔化、固结、凝固和收缩的复杂过程。然而，这并不是一个线性过程，制造团队必须确定比例因子，将其作为完成尺寸与模型尺寸比较的平均值。构建温度在初始层中会下降，在构建期间会恢复，而在高层构建中顶层温度将继续升高，这会导致整个构建腔中零件温度的变化。如果不完全理解这些比例因子，并且牢记这一点设计零件，零件在打印过程中的结构特征可能会偏离模型并超出公差范围。

由于零件需要旋转以获得最佳打印方向，因此其在每个正交轴上均未均匀地“缩放”。组件上的一个轴的尺寸是打印机中多个轴的组合，因此X、Y和Z的多个比例因子有助于提高尺寸精度。与通常使用电子束熔化制成的组件相比，PIXL外壳零件的薄壁产生的热量非常低，在重新缩放时，初始零件往往被“过度缩放”并且打印得太大。但是，一旦掌握规律，制造团队就可以将其应用于其他组件，从而加快迭代过程。

为确保组件满足无故障要求，制造团队需要交付几套零件，这两个前盖组件正要进行热等静压处理

支撑的重要性

永久性和半永久性的刚性支撑是整个开发过程中许多实验的重点。在粉末床熔融过程中，支撑起到热分流的作用，可以散发热量并促进熔池快速凝固；同时可以防止零件因热应力而移动或变形，对于EBM技术来说，其支持悬垂特征。半永久性支撑在多项后处理操作中可以保护零件，如防止在热等静压过程中薄壁结构变形，在加工关键表面时进行夹紧以及在化学处理过程中悬挂零件等。

半永久性支撑结构已添加到PIXL框架中，它可以在后处理中起到重要作用

框架的箱形梁存在打印挑战，因为无论如何旋转，总有一根梁完全水平，因此需要设计内支撑顶面。但是，该设计仅允许开设5毫米的孔以倒出内部粉末。在对可移动选项进行了大量试验之后，只能设计永久性支撑，因此使质量增加了几克。经过试验和优化后，在框架的一条腿上打印了晶格结构，以确保它能在打印、加工和火星任务中幸存下来。通过对箱形梁进行实验确定的结果对于更大的框架部件非常重要，这再次使团队可以通过汲取的经验教训来加快迭代速度。

X射线图像显示了框架箱形梁内的晶格尺寸和结构的几种变化

去除中空结构中的粉末

提取任何残余粉末对于避免引入异物损伤（FOD）的潜在来源至关重要。空心X射线台架只设计了一些小孔，孔的尺寸或位置不可改变，因此需要先进的粉末提取技术。

利用超声波粉末提取技术，组件上的传感器可以发现内部粉末饼（EBM技术因加热导致粉末间固结）的固有频率，能够将其分解并去除。在制造团队已经清理了绝大部分粉末之后，借助超声波技术又去除了156克粉末。然而，超声过程具有自身的挑战，因为粉饼的自然频率会随着其破裂而不断变化，因此需要重新调整以跟踪固有频率，直到所有粉末被分解并清除。

化学研磨有多种用途，如改善表面质量和减薄壁厚，还可以冲洗中空部件，以确保去除所有残余粉末。

END

PIXL组件是Carpenter Additive制造团队遇到的最具挑战性的3D打印任务。零件无法重新设计，并且由于关键的质量管理而无法更改公差。最终，在7.26千克的结构中增加了22克以提高可制造性。

除了需要3D打印过程具有高精度外，精加工过程也需要确保精度。最终零件具有0.127毫米真实位置公差和0.8μm的表面粗糙度

Carpenter Additive的团队成功地在定义的参数范围内开发了最终装配组件，在此过程中进行了多次迭代，原计划6个月完成的任务最终花费18个月才完成。制造团队通过反复尝试，并在每个阶段适时改进，在经验教训的总结中不断获得进步，由此可见制造任务的困难程度，也使其更深刻的认识到，即使增材制造也面临着可制造性的挑战。

后期，我们将介绍“天问一号”上面的金属3D打印应用情况。