3D打印開源衛(wèi)星為航空航天創(chuàng)造更光明的未來

俄勒岡州的第一顆衛(wèi)星使用了3D打印材料，這顆衛(wèi)星已在低地球軌道上成功運行了一年之久。3D打印在未來的航空航天領域發(fā)揮著重要作用，正是這項關鍵技術使波特蘭州立大學的跨學科學生團隊能夠快速開發(fā)出開源、廉價且可靠的“CubeSat”納米衛(wèi)星系統(tǒng)。



OreSat0自2021年3月起進入軌道，其設計初衷是為了利用 CRP Windform LX3.0，這是為數(shù)不多的可用于太空的選擇性激光燒結 (SLS) 增材制造材料之一。這顆衛(wèi)星由波特蘭州立航空航天協(xié)會 (PSAS) 設計、開發(fā)和運營，這是一個跨學科的學生團體，其目標不僅是建造一顆衛(wèi)星，而是創(chuàng)建一個完全可重復使用、模塊化并且可定制的開源CubeSat開發(fā)系統(tǒng)。

帶有定制3D打印組件的模塊化硬件和 PCB
學生團隊使用較便宜的組件和材料開發(fā)了他們的納米衛(wèi)星系統(tǒng)，包括標準的兩層和四層 PCB 以及易于加工的鋁框架。他們遇到的挑戰(zhàn)是，如何讓找到一種可靠的3D打印服務，能夠提供不會在近地軌道真空 (~ 10 mPa) 中脫氣的3D打印部件，這些部件需要通過驗證，可以承受極端溫度范圍（-40℃-100 °C)，而且它是不導電的，因此可用于電子和射頻系統(tǒng)。


△OreSat0 的頂部具有由 Windform LX 3.0 打印的天線系統(tǒng)。

研究團隊需要將三頻天線系統(tǒng)封裝在僅 5 x 5 x 2 厘米的體積中。不能使用金屬，因為它會使天線失諧，但大多數(shù) 3D 打印材料無法勝任在太空飛行的任務。在研究了所有可用材料后，團隊發(fā)現(xiàn)了 Windform LX3.0。波特蘭州立大學機械工程專業(yè)的學生 Cass Bloom 表示：“我們非常高興找到 CRP 的 Windform LX。正是這項技術讓我們能夠在如此狹小的空間內(nèi)封裝如此多的功能，高封裝密度會帶來很多優(yōu)勢。”


△波特蘭州立大學衛(wèi)星團隊：一個由電氣工程師、機械工程師、計算機科學、數(shù)學專業(yè)和商科學生組成的跨學科團隊。

小型化和定制化
Windform LX 3.0 系統(tǒng)可以最大限度地提高電子和射頻系統(tǒng)的封裝密度。SLS 技術使制造商能夠靈活地利用幾乎每一立方毫米，并集成無法用任何其他材料制造的復雜系統(tǒng)。


△OreSat 星跟蹤器相機：一個極其緊湊的星跟蹤器系統(tǒng)，使用一個非常緊湊的 10 毫米高鏡頭和相機傳感器外殼，由 CRP 的 Windform LX3.0 3D 打印而成。

相對于傳統(tǒng)制造技術的優(yōu)勢：
與傳統(tǒng)制造技術和更常見的 3D 打印材料相比，Windform LX 3.0 具有許多優(yōu)勢，包括：

●能夠制造能夠承受振動和機械沖擊的耐用部件。例如，常見的空間環(huán)境測試要求是通過所有三個軸的 13 g 隨機振動測試。
●能夠承受從 -40℃ 到 +100 ℃  的極端熱循環(huán)。
●極低的除氣要求，包括 NASA 和 ESA 的除氣要求，例如 ASTM E595。
●非導電特性，適合在 PCB、電池和天線等電子元件附近安全使用。

在使用傳統(tǒng) FDM 機器制作原型并迭代設計后，OreSat 團隊求助于CRP USA，這是一家專門從事航空航天應用，并且3D打印經(jīng)驗十分豐富的美國公司。CRP USA 使用Windform LX3.0打印了他們最終的飛行部件。這種快速、迭代的設計過程使團隊能夠利用 3D 打印的快速設計和原型制作功能，同時適用于地球和太空。