近日，麻省理工學(xué)院的研究人員展示了一種用于軌道航天器的3D打印等離子體傳感器，3D科學(xué)谷了解到這些3D打印等離子體傳感器的工作原理與更昂貴的半導(dǎo)體傳感器一樣好。這些耐用、精確的傳感器可以有效地用于被稱為CubeSats的輕型衛(wèi)星上，這些衛(wèi)星通常用于環(huán)境監(jiān)測或天氣預(yù)報(bào)。
3D打印等離子傳感器
麻省理工
這些3D打印等離子體傳感器，也稱為延遲電位分析儀 (RPA)，被人造衛(wèi)星等軌道航天器用于確定大氣化學(xué)成分和離子能量分布。
由于成本低且生產(chǎn)速度快，這些傳感器非常適合CubeSats。這些便宜、低功率和輕便的衛(wèi)星通常用于地球高層大氣的通信和環(huán)境監(jiān)測。而麻省理工開發(fā)的3D打印傳感器可以在幾天內(nèi)以數(shù)十美元的價(jià)格生產(chǎn)出來。
3D打印感應(yīng)器的技術(shù)邏輯
3D科學(xué)谷白皮書
光固化陶瓷3D打印
3D科學(xué)谷了解到研究人員使用比傳統(tǒng)傳感器材料（如硅和薄膜涂層）更耐用的玻璃陶瓷材料開發(fā)了RPA。通過在為塑料3D 打印而開發(fā)的制造工藝中使用玻璃陶瓷，能夠制造出形狀復(fù)雜的傳感器，這些傳感器可以承受航天器在低地球軌道上遇到的廣泛溫度波動(dòng)。
陶瓷的3D打印過程通常涉及用激光撞擊陶瓷粉末以將其融合成形狀，但由于來自激光的高熱量，此過程通常會(huì)使材料變得粗糙并產(chǎn)生脆弱點(diǎn)。
相反，麻省理工學(xué)院的研究人員使用了光固化3D打印工藝，這是幾十年前市場上就流行的一種用于樹脂增材制造的工藝。
陶瓷3D打印技術(shù)
3D科學(xué)谷白皮書
通過DLP光聚合3D打印工藝，每一層加完后，用紫外光固化含陶瓷材料的樹脂材料，每層只有 100 微米厚（大約是人類頭發(fā)的直徑），可以創(chuàng)造出光滑、無孔、復(fù)雜的陶瓷形狀。
根據(jù)3D科學(xué)谷，陶瓷和樹脂之間的折射率差異對(duì)固化深度的影響最大，其次是顆粒間距，最后是陶瓷顆粒尺寸。盡管粒徑對(duì)固化深度的影響很小，但它會(huì)顯著影響漿料流變性和后處理特性，因此必須小心控制。
在3D打印數(shù)字制造過程中，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)可以非常復(fù)雜，光固化3D打印可以實(shí)現(xiàn)的高精度使得研究人員能夠創(chuàng)建具有獨(dú)特形狀的加工路徑，以便等離子體傳感器的孔設(shè)置在外殼內(nèi)時(shí)完美對(duì)齊。這使得更多的離子能夠通過，從而實(shí)現(xiàn)更高分辨率的測量。
先進(jìn)陶瓷材料的應(yīng)用
3D科學(xué)谷白皮書
在設(shè)計(jì)的迭代方面，由于3D打印傳感器的生產(chǎn)成本低廉且制造速度如此之快，麻省理工團(tuán)隊(duì)一次制作了四種獨(dú)特設(shè)計(jì)的原型。
研究發(fā)現(xiàn)雖然一種設(shè)計(jì)在捕獲和測量各種等離子體方面特別有效，例如衛(wèi)星在軌道上遇到的等離子體，但另一種設(shè)計(jì)非常適合感測極其密集和冷的等離子體，這些等離子體通常只能使用超精密半導(dǎo)體設(shè)備進(jìn)行測量。
這種高精度可以使得3D打印傳感器可應(yīng)用于聚變能研究或超音速飛行，根據(jù)麻省理工的發(fā)現(xiàn)，3D打印帶來的快速原型制作過程可以刺激衛(wèi)星和航天器設(shè)計(jì)方面的更多創(chuàng)新。
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通常創(chuàng)新與失敗的挫折是交集在一起的，創(chuàng)新需要研究人員能夠失敗并承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)。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種非常不同的方式。研究人員可以制造太空硬件，如果它失敗了，也沒關(guān)系，因?yàn)?D打印可以非?？焖偾伊畠r(jià)地制造一個(gè)新版本，并真正進(jìn)行快速的迭代設(shè)計(jì)。對(duì)于研究人員來說，這是一個(gè)理想的工具。
下一步，麻省理工的科學(xué)家希望在未來改進(jìn)制造過程，減少聚合過程中的層厚度或像素尺寸可以創(chuàng)建更精確的復(fù)雜硬件。此外，完全3D打印-增材制造傳感器的能力將使科研與太空制造銜接?？茖W(xué)家還想探索使用人工智能來優(yōu)化特定場景下的傳感器設(shè)計(jì)，例如大大減少傳感器的質(zhì)量，同時(shí)確保傳感器保持結(jié)構(gòu)合理。
多功能傳感器
等離子體傳感器-延遲電位分析儀 (RPA)于 1959 年首次用于太空任務(wù)。傳感器檢測離子或帶電粒子中的能量，這些離子或帶電粒子漂浮在等離子體中，等離子體是地球上層大氣中分子的過熱混合物。在像 CubeSat這樣的軌道航天器上，多功能儀器測量能量并進(jìn)行化學(xué)分析，可以幫助科學(xué)家預(yù)測天氣或監(jiān)測氣候變化。
傳感器包含一系列帶電的網(wǎng)格，上面點(diǎn)綴著小孔。當(dāng)?shù)入x子體穿過空穴時(shí)，電子和其他粒子被剝離，直到只剩下離子。這些離子產(chǎn)生傳感器測量和分析的電流。
等離子體傳感器-延遲電位分析儀 (RPA)成功的關(guān)鍵是對(duì)齊網(wǎng)格的外殼結(jié)構(gòu)。它必須是電絕緣的，同時(shí)還能夠承受溫度的突然劇烈波動(dòng)。
無疑，陶瓷3D打印為多功能傳感器的制造開辟了曲徑通幽的一條道路。根據(jù)3D科學(xué)谷《3D打印陶瓷白皮書》，目前陶瓷3D打印企業(yè)發(fā)力于生產(chǎn)級(jí)的陶瓷3D打印系統(tǒng)與材料的研發(fā)，同時(shí)更低成本與更高精度的3D打印技術(shù)進(jìn)入市場。隨著陶瓷增材制造技術(shù)與材料技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展，基于光固化、粘結(jié)劑噴射、材料擠出3D打印技術(shù)的應(yīng)用將得到不同程度的加強(qiáng)，在汽車、牙科、能源、電子等多個(gè)領(lǐng)域?qū)@得深化發(fā)展。
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