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研究人员开发用于太空的热塑性复合3D打印材料

在最近发表的《玄武岩纤维增强丙烯腈丁二烯苯乙烯在太空制造应用中的发展和力学性能》中,我们了解了有关在太空中建造所需的材料的更多信息;例如,火星上的栖息地很可能是由来自地球的材料以及自然存在的材料组合而成,从而成倍地减少了支出。

随着技术的进步,我们意识到太空旅行和殖民化将意味着可持续性方面的极端措施。随着NASA登陆火星的现实迫在眉睫,未来的准备工作还有很多年,需要大量的研究和开发工作。材料科学将占主导地位,尽管它对飞机维修等领域至关重要,但对殖民化也至关重要。

研究人员列出了太空材料的最重要特征:

1、强度

2、刚性

3、耐冲击

4、屏蔽辐射的能力

在不久的将来,研究团队决定开发和测试热塑性复合材料,将丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)和玄武岩混合在一起,以便在国际空间站的增材制造工厂进行测试。在这项研究中,主要考虑因素之一是运输材料的费用,这导致了对可提供和可以使用多少当地材料的强烈关注。

研究人员说:“最合理的选择是使用尽可能多的当地材料以及货运任务中产生的可回收废物,例如包装材料。这与传统的复合材料设计不同,传统的复合材料设计在增强纤维材料的数量和增强纤维材料的成本之间进行了优化。”

(左)Dreytek 3毫米玄武岩纤维,(右)玄武岩纤维和ABS粒料进行预混。

随着宇航员在国际空间站(ISS)上制造测试项目,工具等,太空中的3D打印已从概念变为现实。已送回地球的测试样品已经过审查和评估是否成功,现在已在ISS永久安装了3D打印机。

研究人员在检查火星上发现的物质时提醒我们,这颗较小的行星的表面与地球上发现的地壳不同。细颗粒和玄武岩覆盖着约6至30英里厚的火山岩层。玄武岩纤维可以以与玻璃纤维的制造类似的方式制造,然后用于增强。先前的研究表明,玄武岩与PLA的混合非常成功,但这些项目并非以太空旅行和殖民化为中心。

为这项研究开发的复合材料以FlashForge Creator Pro 3D打印机和1.75mm灯丝的形式用于FFF 3D打印。制作了五个比率,最后四个比率进行了3D打印。玄武岩很容易被开采并制成纤维,尽管有多种材料可以混合,但研究小组选择ABS的原因是挤出温度低,并且先前已经进行了微重力实验。它也可以回收利用,甚至可以用作其他货物的包装。

长丝制造挤出工艺(a)单螺杆挤出机(b)挤出物拉出机(c)绕线机(d)绕线的ABS玄武岩长丝。

针对每种纤维比率创建复合颗粒,并附带1.75毫米长丝。尽管60%的纤维比率被认为对于线轴来说太僵硬,不适合小型3D打印机,但研究人员并不认为如果要在太空中使用大型打印机(由颗粒料喂食),这并不是一个问题。 X射线显示在挤出和沉积过程中复合材料的均匀混合。他们还证明了该材料可用于制造小型工具。

“需要对该材料进行进一步测试,以了解其疲劳强度(SN曲线)。但增加25%至40%的额外纤维含量比率也将对未来的设计者有益。高于40%的纤维比率也应在配备颗粒挤出机的大型3D打印机上进行测试。最后,应该进行与ABS包装材料的可回收性相关的研究,然后将其用作3D打印的ABS-玄武岩建筑材料。”