根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，2022年初，由美國宇航局位于南加州的噴氣推進實驗室領(lǐng)導(dǎo)的冷操作月球可展開臂項目成功地將特殊齒輪集成到機械臂的組件中，計劃在未來幾年內(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)和致動器中，這些關(guān)節(jié)和致動器是通過改變游戲規(guī)則而開發(fā)的，可以在低于280華氏度(-173攝氏度)的極端溫度下運行。本期，3D科學(xué)谷和谷友一起來了解技術(shù)的發(fā)展是如何推動人類探索宇宙能力的進步的。
開啟3D打印金屬玻璃的商業(yè)化進程。
非晶態(tài)金屬(金屬玻璃)，又稱非晶態(tài)合金，既有金屬和玻璃的優(yōu)點，又克服了各自的缺點。例如，玻璃易碎，沒有延展性。金屬玻璃的強度比鋼高，硬度比高硬度工具鋼高，具有一定的韌性和剛性。因此，人們把金屬玻璃譽為“玻璃之王”，打不破，砸不爛。
3 d科學(xué)谷白皮書
非晶態(tài)金屬具有許多優(yōu)異的性能，如高強度、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、汽車船舶、裝甲防護、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)展趨勢是多維度的，面向量產(chǎn)應(yīng)用。3D打印突破了當前應(yīng)用對經(jīng)濟要求的限制，向應(yīng)用端延伸的一條發(fā)展路徑是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的產(chǎn)品。
低溫運行的自潤滑齒輪
據(jù)悉，美國宇航局COLDArm項目中機器人關(guān)節(jié)和致動器中的金屬玻璃齒輪合金具有無序的原子結(jié)構(gòu)，這使得它具有足夠的強度和彈性來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行。BMG齒輪馬達已經(jīng)在沒有加熱輔助的情況下在大約-279華氏度(-173攝氏度)下成功測試和運行。這種齒輪電機是使機械手在極寒環(huán)境下運行的關(guān)鍵技術(shù)之一，比如在月夜。
四個裝配好的機器人關(guān)節(jié)之一，包括COLDArm機器人臂每個關(guān)節(jié)的大型金屬玻璃齒輪電機。
Motiv空間系統(tǒng)公司。
包含BMG齒輪的四個關(guān)節(jié)中的每一個都將在臂完全組裝后進行測試，機器人關(guān)節(jié)測試將包括測量扭矩/速度的測功機測試和低溫熱真空測試，以了解設(shè)備如何在類似太空的環(huán)境中應(yīng)用。一旦通過測試，BMG齒輪和COLDArm冷操作月球可展開臂將在月球、火星和海洋世界的極端環(huán)境中執(zhí)行未來的任務(wù)。
Motiv空間系統(tǒng)公司。
COLDArm項目由月球表面創(chuàng)新計劃資助，由美國宇航局空間技術(shù)任務(wù)委員會的游戲改變發(fā)展計劃管理。在美國宇航局的小企業(yè)創(chuàng)新研究計劃下，Motiv Space Systems正在領(lǐng)導(dǎo)COLDArm和電機控制器的設(shè)計和制造，3D科學(xué)谷認為這可能會開啟一個協(xié)作機器人應(yīng)用的新時代。
/高精度齒輪和協(xié)作機器人
90年代中期，西北大學(xué)的兩位教授用一個新名詞作為替代概念申請了一項專利:合作機器人。旨在與人類合作的合作機器人將更小、更聰明、反應(yīng)更靈敏、更有意識、自制力更強、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”的機器人成為現(xiàn)實，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的軟件和傳感器。這也涉及到一些基本的機器部件:比如齒輪。據(jù)悉，在一些合作機器人的制造中，高精度齒輪的成本至少是機械臂的一半。
現(xiàn)在，總部位于加州的Amorphology希望減少合作機器人的數(shù)量。價格這些技術(shù)最初是為從未用于人類交互的機器人(NASA的行星漫游車)制造的。
像地球上的大多數(shù)齒輪一樣，NASA火星車上的齒輪由鋼制成，既堅固又耐磨。然而，鋼齒輪需要液體潤滑，在月球或火星表面等寒冷環(huán)境下，油是無效的。所以，比如NASA的好奇號火星車每次準備開始滾動的時候，大概需要三個小時來加熱潤滑油，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，可以迅速從液態(tài)冷卻到固態(tài)。原子像玻璃一樣隨機排列，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固，因為它們不是晶體，金屬玻璃是彈性的。
大多數(shù)組合物還形成堅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壽命而無需潤滑。這對NASA來說非常重要，因為它可以在不潤滑的情況下運行變速箱。
目前，動力空間系統(tǒng)公司 公司為月球任務(wù)聯(lián)合開發(fā)的冷操作月球可展開臂(COLDArm)預(yù)計將在低至零下290華氏度的溫度下使用大型金屬玻璃齒輪進行操作，而無需安裝熱源。
金屬玻璃(非晶態(tài)金屬)還有一個特點。這些合金被設(shè)計成具有低熔點，因為為了制造金屬玻璃，合金的冷卻速度必須快于結(jié)晶速度。這種低熔點，加上其固有的強度和固化過程中體積幾乎不變的事實，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)的制造是一個具有挑戰(zhàn)性的過程，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。制造過程需要非凡的冷卻速度，并限制了它們可以形成的厚度，因為較厚的零件很難快速冷卻。
用鋼塊加工難度最大、價格最高的齒輪零件是機械臂中最常見的零件之一: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。這消除了具有多個關(guān)節(jié)的機器人肢體中可能出現(xiàn)的定位誤差。
柔性花鍵是一個看起來很奇怪的齒輪，但它是精密機器人的核心和靈魂。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)計劃，Amorphology成立于2014年。通過加州理工學(xué)院公司為NASA開發(fā)的技術(shù)獲得了多項專利。
根據(jù)3D科學(xué)谷的市場了解，Amorphology并不是加州理工學(xué)院第一個金屬玻璃的創(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期市場，BMG齒輪是朝著BMG齒輪連續(xù)商業(yè)成功邁出的一大步。
根據(jù)3D科學(xué)谷的市場調(diào)研，2017年，加州理工學(xué)院通過增材制造技術(shù)獲得了非晶態(tài)金屬的專利。當時，該技術(shù)已經(jīng)與幾家國際知名的大型企業(yè)展開了業(yè)務(wù)合作對話。值得一提的是，這項專利的發(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)上進行下一層的處理。在這個過程中，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?？捎糜凇皣娡考夹g(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)。
低溫運行的自潤滑齒輪
根據(jù)3D科學(xué)谷的市場調(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)域的熱門話題。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，EOS還投資了非晶體金屬3D打印初創(chuàng)公司Exmet。自2016年以來，Exmet與德國材料巨頭Heraeus集團合作開發(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EOS M 290金屬3D打印機，用于制造高性能非晶金屬零件。
根據(jù)Exmet三維科學(xué)谷的市場觀察公司它還與Heraeus合作開發(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)開辟非晶態(tài)金屬的新設(shè)計可能性。好時研發(fā)的3D打印非晶金屬齒輪采用拓撲優(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SLM 3D打印技術(shù)，好時重新定義了傳統(tǒng)技術(shù)在非晶金屬齒輪尺寸和設(shè)計復(fù)雜度上的限制，改變了這類材料的設(shè)計可能性。
據(jù)中國科學(xué)院物理研究所介紹，近10年來，我國在金屬玻璃基礎(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，金屬玻璃的彈性模型等等。半個世紀以來，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、筆記本電腦等時尚產(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，保持了多項金屬材料的最高紀錄。例如，金屬玻璃是迄今為止最強和最軟的金屬材料，最強的穿甲材料，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)物理中一些重要問題的模型體系。