Goodman Technologies 及其合作伙伴扩大了用于航天器 TPS 的 AI 纳米复合材料 3D 打印规模

Goodman Technologies LLC （美国佛罗里达州拉哥）是一家快速发展的纳米复合材料生态系统平台公司，与夏威夷大学马诺阿分校夏威夷纳米实验室（UHM-HNL）和威奇托州立大学（WSU）国家航空研究所（NIAR）合作，在美国国家航空航天局（NASA）（美国华盛顿特区）第二阶段STTR下工作开展，旨在探索AI支持的增材制造连续纤维陶瓷纳米复合材料（CFCNC）的拓展，以彻底改变热防护系统（TPS）的制造。这些解决努力为美国宇航局太空飞行器及其他领域生产和安装这些先进材料的关键能力差距，以及成本又消耗大量的劳动力。

该项目开发的先进材料和制造技术预计将在美国宇航局人类探索和行动任务理事会（HEOMD）月球和火星任务以及科学任务理事会（SMD）行星任务中发挥关键作用，这些任务需要高超音速穿越大气层。

该项目从第一阶段至第三阶段的总体目标重点是：

• TPS方法的制造效率：对“自上而下”和“自下而上”的TPS方法进行了比较研究，目的是减少拥挤方法带来的任何缺点。这种双重方法确保最确定和实施、最有效的制造流程。
• GTNANO自动化机器人制造系统（ARMS）的设计：该系统采用了一系列先进的制造技术，包括铣削、陶瓷纳米复合材料预浸料的纤维贴放置片（FPP）和陶瓷纳米糊剂的印刷。到了自动化系统中，代表了复合材料制造领域的重大进步。
• 纳米糊剂和预浸带的开发：该项目成功的关键是开发低收缩可印刷碳化硅（SiC）纳米糊剂，以及连续卷对卷陶瓷复合纳米材料预浸带。这些材料的生产一致的新型连续纤维陶瓷纳米复合材料（CFCNC）的性能是关键。
• 制作制造验证试件：利用ARMS系统制作了18英寸制造验证试件。该试件可作为概念验证，展示大规模制造工艺的能力。

4年中，GT/UHM-HNL团队提交了有关SiC基纳米糊剂的专利申请，这些纳米糊剂过去可进行3D打印，可进行新一代Z工艺成型，并用于制造SiC（Hi-Nicalon）增强预浸料，用于成型、固化和连接CFCNC。故障时，CFCNC可以克服分层和提高楼层分离的问题，从而导致航天器TPS和高超音的潜力。

GT的TPS采用可3D打印和可成型的纳米膏作为外壳，使用Hi-Nicalon SiC/nanoSiC预浸料CFCNC作为结构层，并通过纳米膏粘合到高温CFOAM绝缘芯上。该工艺适用于其他类型的轻质绝缘材料。据GT称，壳层中使用的纳米颗粒可提高系统的导热性、热稳定性和密度。GT的TPS设计为在进入大气层时外壳将烧蚀和升华，留下热结构，然后可以在表面3D打印新外壳以供重复使用。NASA艾姆斯研究中心的弧电喷射测试热证明结构是可重复使用的。值得注意的是，其他可打印的烧蚀层可以沉积在GT的可重复使用热结构上。

GT团队被选中获得第二阶段奖项，其中改进的TPS的自动化制造规模扩大到约半米，尽管据报道，该过程实际上没有规模限制。为了实现这一点，GT开发了一个大型ARMS，由一个六轴机械臂组成，能够在纳米糊中断执行器、铣削附件和FPP附件之间切换。或者，多个机器人和协作机器人可以执行该过程。

最终，FPP的性能负载模拟。机械臂按照编程模式将材料贴片放置在CFOAM芯材的表面上。每个贴片大约为2×4英寸，其放置方式可分成TPS表面区域，GT已确定这些区域将承受更高的负载。整个过程中人工智能的使用信号都在。

合作伙伴指出，该项目的每一项成果都代表了复合材料制造领域的“一次巨大飞跃”，特别是对于航天器和高超音速系统而言，其中包括：

• 工业大型打印机/附加执行器的设计：开发能够满足陶瓷纳米材料复合需求的大型打印机和附加执行器是向前迈出的关键一步。此类打印机能够生产具有航空航天应用需求的精度和一致性值得注意，是 Arm 引入了自由度，超越了 3D 多个打印机的笛卡尔和极坐标机械系统。同样，机器人和协作机器人允许将 3D 打印染色体构建在床之外。
• 优化的低收缩可印刷SiC纳米糊剂：据报道，纳米糊剂是增材类制造中最大的挑战之一——材料收缩。通过优化糊配方，该项目确保即使在加工后解决剂，组件也能保持其预期的尺寸和性能。
• 可扩展的卷对卷陶瓷纳米复合材料预浸料的设计：可扩展的卷对卷陶瓷复合材料预浸料的开发使得纳米陶瓷复合材料带的连续生产成为可能。这种制造大型部件和结构的能力、降低成本和整个生产时间至关重要。
• 2英寸陶瓷纳米复合材料T300/n-SiC预浸带：该交付物为航空航天应用提供了一种实用且可扩展的材料解决方案。2英寸预浸带结合了T300碳纤维的强度和SiC的耐久度热性能和机械性能，非常适合在高温环境中使用。
• 四英寸自下而上和自上而下的TPS方法：通过改进自下而上和自上而下的TPS方法，该项目确保可以根据特定的任务要求选择最有效的方法。这些方法在设计和制造方面具有灵活的、可适应广泛的应用。
• 18英寸ARMS制造试件：该试件的生产证明了ARMS系统制造组件的大型吸力。该试件将接受严格的验证测试，以验证材料和制造工艺。

基于该项目的成功，GT计划由投资者参与NASA商业化准备应急计划。该计划将结合测试NASA的3D可打印酚醛树脂与GT的可重复使用热结构，并在NASA艾姆斯ArcJet设施进行材料验证。最终目标是使用ARMS系统制造航天测试演示器。

另外，该项目还引起了“新太空”公司对探索GT的CFCNC材料的兴趣。这些材料还为导弹、导弹修改面罩、气动外壳和其他战略空中平台提供了餐饮机会，尤其是太空（DOD）记录计划和系统主要项目中的高超音速应用。