2022 年 7 月 31 日，麻省理工學(xué)院為軌道航天器制造了第一個(gè)完全 3D 打印的等離子體傳感器，它們極具成本效益。 這些等離子體傳感器，也稱為延遲電位分析儀 (RPA)，被衛(wèi)星用來(lái)確定大氣的化學(xué)成分和離子能量分布。

△麻省理工經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，3D打印對(duì)比傳統(tǒng)工藝衛(wèi)星傳感器更具有成本優(yōu)勢(shì)

3D 打印和激光切割等離子傳感器具有相同的硬件性能，但后者是在潔凈室中制造的，因此價(jià)格昂貴且需要數(shù)周的復(fù)雜制造。 相比之下，3D 打印傳感器可以在幾天內(nèi)以數(shù)十美元的價(jià)格生產(chǎn)出來(lái)。  

 由于3D打印技術(shù)成本低、生產(chǎn)速度快，該技術(shù)非常適合制造衛(wèi)星傳感器。 這些廉價(jià)、低功率和輕便的衛(wèi)星通常用于地球高層大氣的通信和環(huán)境監(jiān)測(cè)。

△在RPA中，等離子體穿過(guò)一系列帶電的網(wǎng)格，網(wǎng)格上點(diǎn)綴著小孔。當(dāng)?shù)入x子體穿過(guò)每個(gè)網(wǎng)格時(shí)，電子和其他粒子被剝離，直到只剩下離子。此圖顯示了網(wǎng)格如何安裝在RPA外殼內(nèi)

研究人員，使用一種玻璃陶瓷材料開(kāi)發(fā)了RPA，這種材料比硅和薄膜涂層等傳統(tǒng)傳感器材料更耐用。通過(guò)將玻璃陶瓷用于為3D打印塑料而開(kāi)發(fā)的制造工藝，他們能夠創(chuàng)造出具有復(fù)雜形狀的傳感器，能夠承受航天器在低地球軌道上遇到的廣泛溫度波動(dòng)。

麻省理工學(xué)院微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（MTL）的首席科學(xué)家，等離子體傳感器論文的高級(jí)作者Luis Fernando Velásquez-García 說(shuō)：“3D打印技術(shù)，可以為未來(lái)的空間硬件帶來(lái)巨大的變化。有些人認(rèn)為，當(dāng)你3D打印的東西，你必須犧牲一定的性能。但是，經(jīng)過(guò)我們證明，情況并非總是如此。有時(shí)，沒(méi)什么不一樣的。”

多用途的傳感器

1959年，RPA首次被用于太空任務(wù)中。這些傳感器探測(cè)漂浮在等離子體中的離子或帶電粒子的能量，等離子體是存在于地球高層大氣中的分子的過(guò)熱混合物。在像立方體衛(wèi)星這樣的軌道航天器上，這些多功能的儀器測(cè)量能量并進(jìn)行化學(xué)分析，可以幫助科學(xué)家預(yù)測(cè)天氣或監(jiān)測(cè)氣候變化。

這些傳感器包含一系列帶電的網(wǎng)狀物，上面點(diǎn)綴著小孔。當(dāng)?shù)入x子體通過(guò)這些孔時(shí)，電子和其他粒子被剝離，直到只剩下離子。這些離子產(chǎn)生電流，傳感器對(duì)其進(jìn)行測(cè)量和分析。

RPA成功的關(guān)鍵是對(duì)準(zhǔn)網(wǎng)格的外殼結(jié)構(gòu)。它必須是電絕緣的，同時(shí)也能承受溫度的突然劇烈波動(dòng)。研究人員使用了一種可打印的玻璃陶瓷材料，它顯示了這些特性，被稱為Vitrolite。

Vitrolite在20世紀(jì)初開(kāi)創(chuàng)了先河，經(jīng)常被用于彩色瓷磚，成為裝飾藝術(shù)建筑中常見(jiàn)的景觀。

這種耐用的材料還可以承受高達(dá)800攝氏度的溫度而不分解，而用于半導(dǎo)體RPA的聚合物在400攝氏度時(shí)就開(kāi)始融化。

Velásquez-García：“當(dāng)你在潔凈室中制作這種傳感器時(shí)，你不能隨意按照自己的想法來(lái)設(shè)計(jì)它們的結(jié)構(gòu)，但是3D打印突破了這項(xiàng)限制。”

△該圖顯示了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，在該實(shí)驗(yàn)中，研究人員設(shè)置了他們的RPA，將其表征為離子能量分布傳感器

對(duì)制造的重新思考

陶瓷的3D打印過(guò)程通常涉及陶瓷粉末，用激光將其熔化成形狀，但這一過(guò)程往往使材料變得粗糙，并由于激光的高熱而產(chǎn)生薄弱點(diǎn)。

相反，麻省理工學(xué)院的研究人員使用了大桶聚合，這是幾十年前引入的一種用于聚合物或樹(shù)脂的增材制造的工藝。在大桶聚合法中，通過(guò)將三維結(jié)構(gòu)反復(fù)浸入液體材料的大桶中，在這種情況下是Vitrolite，一次建立一層。在每一層加入后，紫外線被用來(lái)固化材料，然后將平臺(tái)再次浸入大桶中。每一層的厚度只有100微米（大約是人類頭發(fā)的直徑），能夠創(chuàng)造出光滑、無(wú)孔隙的復(fù)雜陶瓷形狀。

在數(shù)字制造中，設(shè)計(jì)文件中描述的物體可以非常復(fù)雜。這種精度使研究人員能夠創(chuàng)建具有獨(dú)特形狀的激光切割網(wǎng)格，以便在RPA外殼內(nèi)設(shè)置孔時(shí)完美地排成一排。這使更多的離子能夠通過(guò)，從而導(dǎo)致更高分辨率的測(cè)量。

由于傳感器的生產(chǎn)成本很低，而且可以快速制造，該團(tuán)隊(duì)制作了四個(gè)獨(dú)特的設(shè)計(jì)原型。

其中一種設(shè)計(jì)在捕捉和測(cè)量廣泛的等離子體方面特別有效，就像衛(wèi)星在軌道上遇到的那些等離子體一樣，而另一種設(shè)計(jì)則非常適合于感應(yīng)極其密集和寒冷的等離子體，這些等離子體通常只能用超精密的半導(dǎo)體設(shè)備來(lái)測(cè)量。   

這種高精度可以使3D打印的傳感器，應(yīng)用于聚變能源研究或超音速飛行。Velásquez-García補(bǔ)充說(shuō)，獲得了快速原型制作能后，甚至可以刺激衛(wèi)星和航天器設(shè)計(jì)方面的更多創(chuàng)新。

"如果你想創(chuàng)新，你需要能夠失敗并承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)。3D打印技術(shù)是制造太空硬件的一種不可或缺的方式。我可以制造太空硬件，如果它失敗了，也沒(méi)有關(guān)系，因?yàn)槲铱梢苑浅？焖俸土畠r(jià)地制造一個(gè)新的版本，并真正迭代設(shè)計(jì)。他說(shuō)："這對(duì)研究人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)理想的設(shè)計(jì)模式。

雖然Velásquez-García對(duì)這些傳感器很滿意，但在未來(lái)，他希望繼續(xù)改進(jìn)該工藝。在玻璃陶瓷大桶聚合中減少層的厚度或像素大小，可以創(chuàng)造出更加精確的復(fù)雜硬件。此外，完全采用3D打印的傳感器將使它們與空間制造兼容。他還希望探索使用人工智能來(lái)優(yōu)化傳感器的設(shè)計(jì)，以滿足特定的使用情況，例如大大減少其質(zhì)量，同時(shí)確保它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上保持良好。

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