根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，2022年初，由美國(guó)宇航局位于南加州的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的冷操作月球可展開(kāi)臂項(xiàng)目成功地將特殊齒輪集成到機(jī)械臂的組件中，計(jì)劃在未來(lái)幾年內(nèi)投入月球任務(wù)。
這些大型金屬玻璃(BMG)齒輪被集成到COLDArm的關(guān)節(jié)和致動(dòng)器中，這些關(guān)節(jié)和致動(dòng)器是通過(guò)改變游戲規(guī)則而開(kāi)發(fā)的，可以在低于280華氏度(-173攝氏度)的極端溫度下運(yùn)行。本期，3D科學(xué)谷和谷友一起來(lái)了解技術(shù)的發(fā)展是如何推動(dòng)人類(lèi)探索宇宙能力的進(jìn)步的。
開(kāi)啟3D打印金屬玻璃的商業(yè)化進(jìn)程。
非晶態(tài)金屬(金屬玻璃)，又稱(chēng)非晶態(tài)合金，既有金屬和玻璃的優(yōu)點(diǎn)，又克服了各自的缺點(diǎn)。例如，玻璃易碎，沒(méi)有延展性。金屬玻璃的強(qiáng)度比鋼高，硬度比高硬度工具鋼高，具有一定的韌性和剛性。因此，人們把金屬玻璃譽(yù)為“玻璃之王”，打不破，砸不爛。
3 d科學(xué)谷白皮書(shū)
非晶態(tài)金屬具有許多優(yōu)異的性能，如高強(qiáng)度、高硬度、耐磨性和耐腐蝕性。這些優(yōu)異的性能使其在航空航天、汽車(chē)船舶、裝甲防護(hù)、精密儀器、電力、能源、電子、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
ACAM亞琛增材制造中心表示，3D打印-增材制造的發(fā)展趨勢(shì)是多維度的，面向量產(chǎn)應(yīng)用。3D打印突破了當(dāng)前應(yīng)用對(duì)經(jīng)濟(jì)要求的限制，向應(yīng)用端延伸的一條發(fā)展路徑是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的產(chǎn)品。
低溫運(yùn)行的自潤(rùn)滑齒輪
據(jù)悉，美國(guó)宇航局COLDArm項(xiàng)目中機(jī)器人關(guān)節(jié)和致動(dòng)器中的金屬玻璃齒輪合金具有無(wú)序的原子結(jié)構(gòu)，這使得它具有足夠的強(qiáng)度和彈性來(lái)承受這些異常的低溫。典型的齒輪箱需要加熱才能在如此低的溫度下運(yùn)行。BMG齒輪馬達(dá)已經(jīng)在沒(méi)有加熱輔助的情況下在大約-279華氏度(-173攝氏度)下成功測(cè)試和運(yùn)行。這種齒輪電機(jī)是使機(jī)械手在極寒環(huán)境下運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一，比如在月夜。
四個(gè)裝配好的機(jī)器人關(guān)節(jié)之一，包括COLDArm機(jī)器人臂每個(gè)關(guān)節(jié)的大型金屬玻璃齒輪電機(jī)。
Motiv空間系統(tǒng)公司。
包含BMG齒輪的四個(gè)關(guān)節(jié)中的每一個(gè)都將在臂完全組裝后進(jìn)行測(cè)試，機(jī)器人關(guān)節(jié)測(cè)試將包括測(cè)量扭矩/速度的測(cè)功機(jī)測(cè)試和低溫?zé)嵴婵諟y(cè)試，以了解設(shè)備如何在類(lèi)似太空的環(huán)境中應(yīng)用。一旦通過(guò)測(cè)試，BMG齒輪和COLDArm冷操作月球可展開(kāi)臂將在月球、火星和海洋世界的極端環(huán)境中執(zhí)行未來(lái)的任務(wù)。
Motiv空間系統(tǒng)公司。
COLDArm項(xiàng)目由月球表面創(chuàng)新計(jì)劃資助，由美國(guó)宇航局空間技術(shù)任務(wù)委員會(huì)的游戲改變發(fā)展計(jì)劃管理。在美國(guó)宇航局的小企業(yè)創(chuàng)新研究計(jì)劃下，Motiv Space Systems正在領(lǐng)導(dǎo)COLDArm和電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)和制造，3D科學(xué)谷認(rèn)為這可能會(huì)開(kāi)啟一個(gè)協(xié)作機(jī)器人應(yīng)用的新時(shí)代。
/高精度齒輪和協(xié)作機(jī)器人
90年代中期，西北大學(xué)的兩位教授用一個(gè)新名詞作為替代概念申請(qǐng)了一項(xiàng)專(zhuān)利:合作機(jī)器人。旨在與人類(lèi)合作的合作機(jī)器人將更小、更聰明、反應(yīng)更靈敏、更有意識(shí)、自制力更強(qiáng)、舉止更好。在隨后的幾年里，人工智能和傳感器的飛躍使這些“更友好”的機(jī)器人成為現(xiàn)實(shí)，但成本仍然阻礙了它們的廣泛采用。
然而，最大的成本因素并不總是先進(jìn)的軟件和傳感器。這也涉及到一些基本的機(jī)器部件:比如齒輪。據(jù)悉，在一些合作機(jī)器人的制造中，高精度齒輪的成本至少是機(jī)械臂的一半。
現(xiàn)在，總部位于加州的Amorphology希望減少合作機(jī)器人的數(shù)量。價(jià)格這些技術(shù)最初是為從未用于人類(lèi)交互的機(jī)器人(NASA的行星漫游車(chē))制造的。
像地球上的大多數(shù)齒輪一樣，NASA火星車(chē)上的齒輪由鋼制成，既堅(jiān)固又耐磨。然而，鋼齒輪需要液體潤(rùn)滑，在月球或火星表面等寒冷環(huán)境下，油是無(wú)效的。所以，比如NASA的好奇號(hào)火星車(chē)每次準(zhǔn)備開(kāi)始滾動(dòng)的時(shí)候，大概需要三個(gè)小時(shí)來(lái)加熱潤(rùn)滑油，消耗掉大概四分之一的一次性能源。
金屬玻璃(非晶態(tài)合金)在其原子形成所有其他金屬共有的晶格結(jié)構(gòu)之前，可以迅速?gòu)囊簯B(tài)冷卻到固態(tài)。原子像玻璃一樣隨機(jī)排列，賦予玻璃和金屬材料特性。根據(jù)它們的組成元素-通常包括鋯，鈦和銅-金屬玻璃可能非常堅(jiān)固，因?yàn)樗鼈儾皇蔷w，金屬玻璃是彈性的。
大多數(shù)組合物還形成堅(jiān)硬且光滑的陶瓷氧化物表面，這些表面一起為由一些非晶體金屬制成的齒輪提供長(zhǎng)壽命而無(wú)需潤(rùn)滑。這對(duì)NASA來(lái)說(shuō)非常重要，因?yàn)樗梢栽诓粷?rùn)滑的情況下運(yùn)行變速箱。
目前，動(dòng)力空間系統(tǒng)公司 公司為月球任務(wù)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的冷操作月球可展開(kāi)臂(COLDArm)預(yù)計(jì)將在低至零下290華氏度的溫度下使用大型金屬玻璃齒輪進(jìn)行操作，而無(wú)需安裝熱源。
金屬玻璃(非晶態(tài)金屬)還有一個(gè)特點(diǎn)。這些合金被設(shè)計(jì)成具有低熔點(diǎn)，因?yàn)闉榱酥圃旖饘俨ＡВ辖鸬睦鋮s速度必須快于結(jié)晶速度。這種低熔點(diǎn)，加上其固有的強(qiáng)度和固化過(guò)程中體積幾乎不變的事實(shí)，可以大大降低齒輪等零件的制造成本。
然而，金屬玻璃(非晶態(tài)金屬)的制造是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的過(guò)程，尤其是非晶態(tài)金屬玻璃，其通常需要冷卻到其熔化溫度以上以避免結(jié)晶。制造過(guò)程需要非凡的冷卻速度，并限制了它們可以形成的厚度，因?yàn)檩^厚的零件很難快速冷卻。
用鋼塊加工難度最大、價(jià)格最高的齒輪零件是機(jī)械臂中最常見(jiàn)的零件之一:柔性花鍵，是一種極薄壁的帶齒邊的柔性杯體。這就是所謂的波動(dòng)齒輪總成的核心部件。與其他齒輪組相比，柔性花鍵具有更高的精度、更高的扭矩和更低的齒隙。這消除了具有多個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)器人肢體中可能出現(xiàn)的定位誤差。
柔性花鍵是一個(gè)看起來(lái)很奇怪的齒輪，但它是精密機(jī)器人的核心和靈魂。按照3D科學(xué)谷的理解，這是用非晶金屬成型能最大程度節(jié)約成本的地方:成本是用鋼加工應(yīng)變波齒輪的一半左右。
/自潤(rùn)滑齒輪和金屬玻璃
形成小型高性能行星齒輪和應(yīng)變波齒輪已經(jīng)成為Amorphology的核心業(yè)務(wù)計(jì)劃，Amorphology成立于2014年。通過(guò)加州理工學(xué)院公司為NASA開(kāi)發(fā)的技術(shù)獲得了多項(xiàng)專(zhuān)利。
根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)了解，Amorphology并不是加州理工學(xué)院第一個(gè)金屬玻璃的創(chuàng)新商業(yè)化。公司但是眾所周知，創(chuàng)建一個(gè)基于新材料的創(chuàng)業(yè)公司。公司非常難。困難包括需要找到這種材料的長(zhǎng)期市場(chǎng)，BMG齒輪是朝著B(niǎo)MG齒輪連續(xù)商業(yè)成功邁出的一大步。
根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)調(diào)研，2017年，加州理工學(xué)院通過(guò)增材制造技術(shù)獲得了非晶態(tài)金屬的專(zhuān)利。當(dāng)時(shí)，該技術(shù)已經(jīng)與幾家國(guó)際知名的大型企業(yè)展開(kāi)了業(yè)務(wù)合作對(duì)話。值得一提的是，這項(xiàng)專(zhuān)利的發(fā)明人道格拉斯·霍夫曼(Douglas Hofmann)是一位Amorphology。公司的創(chuàng)始人。
加州理工學(xué)院制造非晶體金屬的方法是:高溫熔化第一層金屬合金表面；快速冷卻該層熔融金屬合金并凝固以形成第一層非晶體金屬；然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行下一層的處理。在這個(gè)過(guò)程中，每一層都應(yīng)用了“噴涂技術(shù)”，包括等離子噴涂、電弧噴涂等方法。可用于“噴涂技術(shù)”的原料包括:金屬絲和金屬粉末。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)調(diào)研，這種“噴涂技術(shù)”就是DED直接能量沉積3D打印技術(shù)。
低溫運(yùn)行的自潤(rùn)滑齒輪
根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)調(diào)研，非晶金屬的商業(yè)化已經(jīng)成為2017年金屬增材制造領(lǐng)域的熱門(mén)話題。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，EOS還投資了非晶體金屬3D打印初創(chuàng)公司Exmet。自2016年以來(lái)，Exmet與德國(guó)材料巨頭Heraeus集團(tuán)合作開(kāi)發(fā)非晶金屬3D打印技術(shù)，這種技術(shù)不同于加州理工學(xué)院使用的DED技術(shù)。Exmet在工廠配備了一臺(tái)EOS M 290金屬3D打印機(jī)，用于制造高性能非晶金屬零件。
根據(jù)Exmet三維科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察公司它還與Heraeus合作開(kāi)發(fā)了非晶態(tài)金屬的3D打印技術(shù)。2019年4月初，賀利氏發(fā)布了他們采用SLM(選擇性激光熔化)3D打印技術(shù)制造的非晶金屬齒輪。好時(shí)表示，這是迄今為止世界上最大的非晶態(tài)金屬零件，他們正在突破非晶態(tài)金屬的制造邊界，為制造業(yè)開(kāi)辟非晶態(tài)金屬的新設(shè)計(jì)可能性。好時(shí)研發(fā)的3D打印非晶金屬齒輪采用拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)制造工藝相比，齒輪重量可減輕50%。通過(guò)SLM 3D打印技術(shù)，好時(shí)重新定義了傳統(tǒng)技術(shù)在非晶金屬齒輪尺寸和設(shè)計(jì)復(fù)雜度上的限制，改變了這類(lèi)材料的設(shè)計(jì)可能性。
據(jù)中國(guó)科學(xué)院物理研究所介紹，近10年來(lái)，我國(guó)在金屬玻璃基礎(chǔ)科學(xué)方面取得了顯著成就。比如金屬玻璃中β弛豫的發(fā)現(xiàn)和表征，金屬玻璃的流變機(jī)理，金屬玻璃中的相變，金屬玻璃的斷裂判據(jù)，金屬玻璃斷裂形貌特征的物理解釋?zhuān)饘俨ＡУ膹椥阅Ｐ偷鹊取０雮€(gè)世紀(jì)以來(lái)，金屬玻璃已經(jīng)發(fā)展成為航空航天等高科技產(chǎn)品和手機(jī)、筆記本電腦等時(shí)尚產(chǎn)品的材料。金屬玻璃作為一種兼具玻璃、金屬、固體和液體特性的新型金屬材料，保持了多項(xiàng)金屬材料的最高紀(jì)錄。例如，金屬玻璃是迄今為止最強(qiáng)和最軟的金屬材料，最強(qiáng)的穿甲材料，最容易加工的金屬材料， 最耐腐蝕的金屬材料和最理想的微納米加工材料之一。金屬玻璃具有遺傳、記憶、軟磁和大磁熵的特性，也是研究材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理中一些重要問(wèn)題的模型體系。