麻省理工学院科学家利用3D打印制造出首批完全数字化生产的轨道航天器等离子体传感器。
这些传感器非常适合立方体卫星（CubeSat）——这类卫星用于通信以及地球高层大气的环境监测——因为它们成本低、功耗小。
3D打印通常会用激光照射陶瓷粉末，使其熔合成形。
但激光产生的高温可能使材料变得粗糙，并形成薄弱点。
科学家正在研究改进制造工艺、增强传感器结构强度的方法。
麻省理工学院科学家利用3D打印制造出首批完全数字化生产的轨道航天器等离子体传感器。这些等离子体传感器也称为阻滞电势分析仪（RPA），卫星利用它们测定大气的化学成分和离子能量分布。
这种3D打印和激光切割硬件的性能与最先进的半导体等离子体传感器不相上下。后者需在洁净室中制造，成本高昂，复杂的制造过程还需要数周。相比之下，3D打印传感器只需几天、花费几十美元即可生产。
由于成本低、生产速度快，这些传感器非常适合立方体卫星（CubeSat）。这类成本低、功耗小、重量轻的卫星常用于通信和地球高层大气环境监测。
研究人员采用一种玻璃陶瓷材料制造RPA，其耐久性优于硅和薄膜涂层等传统传感器材料。他们将这种玻璃陶瓷用于一种原本为塑料3D打印开发的制造工艺，从而制成形状复杂的传感器，能够承受航天器在近地轨道运行时遇到的大幅温度变化。
“增材制造会对未来的航天硬件产生重大影响。有些人认为，3D打印某种东西就得牺牲一些性能。但我们已经证明，情况并非总是如此。有时根本无需权衡取舍。”麻省理工学院微系统技术实验室（MTL）首席科学家、介绍这种等离子体传感器的论文资深作者路易斯·费尔南多·贝拉斯克斯-加西亚（Luis Fernando Velásquez-García）说。
与贝拉斯克斯-加西亚共同撰写这篇论文的还有论文第一作者、MTL博士后哈维尔·伊斯基耶多-雷耶斯（Javier Izquierdo-Reyes）；研究生佐伊·比格洛（Zoey Bigelow）；以及博士后尼古拉斯·K·卢宾斯基（Nicholas K. Lubinsky）。这项研究发表于《增材制造》。
用途广泛的传感器
RPA于1959年首次用于太空任务。这种传感器可探测等离子体中离子的能量；离子是带电粒子，漂浮在等离子体中，而等离子体是存在于地球高层大气中的超高温分子混合物。在立方体卫星等轨道航天器上，这种用途广泛的仪器可测量能量并进行化学分析，帮助科学家预测天气或监测气候变化。
传感器内含一系列带电网格，上面布满微小孔洞。等离子体穿过孔洞时，电子和其他粒子会被剥离，直到只剩下离子。这些离子产生电流，由传感器测量并分析。
RPA能否成功，关键在于用于对齐网格的外壳结构。它必须具备电绝缘性，同时能够承受突然且剧烈的温度变化。研究人员采用了一种可打印的玻璃陶瓷材料，名为Vitrolite，具备这些特性。
Vitrolite于20世纪初问世，常用于制作彩色瓷砖，这些瓷砖后来成为装饰艺术风格建筑中的常见元素。
这种耐久材料可承受高达800摄氏度的温度而不发生损坏；相比之下，半导体RPA使用的聚合物在400摄氏度时便开始熔化。
“在洁净室制造这种传感器时，你无法像现在这样自由地定义材料和结构，也无法自由决定它们如何相互作用。让这一切成为可能的是增材制造领域的最新进展。”贝拉斯克斯-加西亚说。
重新思考制造工艺
陶瓷3D打印通常会用激光照射陶瓷粉末，使其熔合成形，但这一过程往往会让材料变得粗糙，并因激光产生的高温形成薄弱点。
麻省理工学院研究人员采用了另一种方法：槽式光聚合。这种工艺数十年前就已用于聚合物或树脂的增材制造。槽式光聚合通过反复将平台浸入装有液态材料的槽中，一层一层地构建3D结构；这里的液态材料是Vitrolite。每添加一层，就用紫外光使材料固化，然后再次将平台浸入槽中。每层厚度仅为100微米（约为一根头发的直径），因此能够制造出表面光滑、无孔且形状复杂的陶瓷部件。
在数字化制造中，设计文件所描述的物体可以非常精细。凭借这种精度，研究人员得以制造形状独特的激光切割网格，使其装入RPA外壳后，孔洞能够完美对齐。这样一来，更多离子可以通过，从而实现更高分辨率的测量。
由于传感器生产成本低、制造速度快，团队制作了四种不同设计的原型。
其中一种设计特别擅长捕获和测量范围广泛的等离子体，例如卫星在轨道上会遇到的等离子体；另一种则适用于检测极其稠密且温度很低的等离子体，而这类等离子体通常只有超高精度的半导体设备才能测量。
这种高精度有望让3D打印传感器应用于聚变能源研究或超音速飞行。贝拉斯克斯-加西亚补充说，快速制作原型的流程甚至可能推动卫星和航天器设计领域的更多创新。
“如果想要创新，就必须能够承受失败和风险。增材制造是制造航天硬件的一种截然不同的方式。我可以制造航天硬件；即使它失败了也没关系，因为我能以很快的速度和很低的成本制造新版本，并不断迭代设计。对研究人员来说，这是一个理想的试验平台。”他说。
贝拉斯克斯-加西亚对这些传感器感到满意，但未来他希望改进制造工艺。降低玻璃陶瓷槽式光聚合中的层厚或像素尺寸，或许能制造出精度更高的复杂硬件。此外，完全通过增材制造生产传感器，将使其适用于太空制造。他还希望探索利用人工智能针对特定用途优化传感器设计，例如大幅减轻传感器质量，同时确保其结构稳固。
这项工作部分由麻省理工学院、麻省理工学院-蒙特雷科技大学纳米技术项目、麻省理工学院葡萄牙项目以及葡萄牙科学技术基金会资助。
