便宜且生产速度快，麻省理工3D打印轨道航天器的等离子体传感器
近日，麻省理工学院的研究人员展示了一种用于轨道航天器的3D打印等离子体传感器，3D科学谷了解到这些3D打印等离子体传感器的工作原理与更昂贵的半导体传感器一样好。这些耐用、精确的传感器可以有效地用于被称为CubeSats的轻型卫星上，这些卫星通常用于环境监测或天气预报。
3D打印等离子传感器
© 麻省理工
这些3D打印等离子体传感器，也称为延迟电位分析仪 (RPA)，被人造卫星等轨道航天器用于确定大气化学成分和离子能量分布。由于成本低且生产速度快，这些传感器非常适合CubeSats。这些便宜、低功率和轻便的卫星通常用于地球高层大气的通信和环境监测。而麻省理工开发的3D打印传感器可以在几天内以数十美元的价格生产出来。
3D打印感应器的技术逻辑
© 3D科学谷白皮书
光固化陶瓷3D打印
研究人员使用比传统传感器材料（如硅和薄膜涂层）更耐用的玻璃陶瓷材料开发了RPA。通过在为塑料3D 打印而开发的制造工艺中使用玻璃陶瓷，能够制造出形状复杂的传感器，这些传感器可以承受航天器在低地球轨道上遇到的广泛温度波动。陶瓷的3D打印过程通常涉及用激光撞击陶瓷粉末以将其融合成形状，但由于来自激光的高热量，此过程通常会使材料变得粗糙并产生脆弱点。相反，麻省理工学院的研究人员使用了光固化3D打印工艺，这是几十年前市场上就流行的一种用于树脂增材制造的工艺。
陶瓷3D打印技术
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通过DLP光聚合3D打印工艺，每一层加完后，用紫外光固化含陶瓷材料的树脂材料，每层只有 100 微米厚（大约是人类头发的直径），可以创造出光滑、无孔、复杂的陶瓷形状。陶瓷和树脂之间的折射率差异对固化深度的影响最大，其次是颗粒间距，最后是陶瓷颗粒尺寸。尽管粒径对固化深度的影响很小，但它会显着影响浆料流变性和后处理特性，因此必须小心控制。在3D打印数字制造过程中，产品的设计可以非常复杂，光固化3D打印可以实现的高精度使得研究人员能够创建具有独特形状的加工路径，以便等离子体传感器的孔设置在外壳内时完美对齐。这使得更多的离子能够通过，从而实现更高分辨率的测量。
先进陶瓷材料的应用
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在设计的迭代方面，由于3D打印传感器的生产成本低廉且制造速度如此之快，麻省理工团队一次制作了四种独特设计的原型。研究发现虽然一种设计在捕获和测量各种等离子体方面特别有效，例如卫星在轨道上遇到的等离子体，但另一种设计非常适合感测极其密集和冷的等离子体，这些等离子体通常只能使用超精密半导体设备进行测量。这种高精度可以使得3D打印传感器可应用于聚变能研究或超音速飞行，根据麻省理工的发现，3D打印带来的快速原型制作过程可以刺激卫星和航天器设计方面的更多创新。
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通常创新与失败的挫折是交集在一起的，创新需要研究人员能够失败并承担风险。然而，3D打印-增材制造巧妙的化解了挫折感，3D打印是制造太空硬件的一种非常不同的方式。研究人员可以制造太空硬件，如果它失败了，也没关系，因为3D打印可以非常快速且廉价地制造一个新版本，并真正进行快速的迭代设计。对于研究人员来说，这是一个理想的工具。下一步，麻省理工的科学家希望在未来改进制造过程，减少聚合过程中的层厚度或像素尺寸可以创建更精确的复杂硬件。此外，完全3D打印-增材制造传感器的能力将使科研与太空制造衔接。科学家还想探索使用人工智能来优化特定场景下的传感器设计，例如大大减少传感器的质量，同时确保传感器保持结构合理。
多功能传感器
等离子体传感器-延迟电位分析仪 (RPA)于 1959 年首次用于太空任务。传感器检测离子或带电粒子中的能量，这些离子或带电粒子漂浮在等离子体中，等离子体是地球上层大气中分子的过热混合物。在像 CubeSat这样的轨道航天器上，多功能仪器测量能量并进行化学分析，可以帮助科学家预测天气或监测气候变化。传感器包含一系列带电的网格，上面点缀着小孔。当等离子体穿过空穴时，电子和其他粒子被剥离，直到只剩下离子。这些离子产生传感器测量和分析的电流。
等离子体传感器-延迟电位分析仪 (RPA)成功的关键是对齐网格的外壳结构。它必须是电绝缘的，同时还能够承受温度的突然剧烈波动。无疑，陶瓷3D打印为多功能传感器的制造开辟了曲径通幽的一条道路。根据3D科学谷《3D打印陶瓷白皮书》，目前陶瓷3D打印企业发力于生产级的陶瓷3D打印系统与材料的研发，同时更低成本与更高精度的3D打印技术进入市场。随着陶瓷增材制造技术与材料技术的继续发展，基于光固化、粘结剂喷射、材料挤出3D打印技术的应用将得到不同程度的加强，在汽车、牙科、能源、电子等多个领域将获得深化发展。
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