根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，2022 年初，由美國(guó)宇航局NASA位于南加州的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的冷可操作月球可展開(kāi)臂 (COLDArm) 項(xiàng)目成功地將特殊齒輪集成到機(jī)械臂的部件中，該機(jī)械臂計(jì)劃在未來(lái)幾年投入到月球任務(wù)中。

這些大塊金屬玻璃 (BMG) 齒輪集成到 COLDArm 的關(guān)節(jié)和執(zhí)行器中，是通過(guò)改變游戲規(guī)則的開(kāi)發(fā)大塊金屬玻璃（非晶態(tài)合金）齒輪項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的，可在低于華氏 280 度（負(fù)173攝氏度）的極端溫度下運(yùn)行。本期，3D科學(xué)谷與谷友一起來(lái)洞悉技術(shù)的發(fā)展如何推動(dòng)人類(lèi)探索宇宙的能力進(jìn)步。

開(kāi)啟3D打印金屬玻璃的商業(yè)化進(jìn)程

非晶態(tài)金屬（金屬玻璃）又稱(chēng)非晶態(tài)合金， 它既有金屬和玻璃的優(yōu)點(diǎn)， 又克服了它們各自的弊?。绮Ａб姿?， 沒(méi)有延展性．金屬玻璃的強(qiáng)度高于鋼， 硬度超過(guò)高硬工具鋼， 且具有一定的韌性和剛性， 所以， 人們贊揚(yáng)金屬玻璃為“敲不碎、砸不爛”的“玻璃之王”

© 3D科學(xué)谷白皮書(shū)

非晶態(tài)金屬集眾多優(yōu)異性能于一身，如高強(qiáng)度、高硬度、耐磨以及耐腐蝕 等。這些優(yōu)異的性能使其在航空航天、汽車(chē)船舶、裝甲防護(hù)、精密儀器、電力、 能源、電子、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都存在廣泛的應(yīng)用前景。

根據(jù)ACAM亞琛增材制造中心，3D打印-增材制造的發(fā)展趨勢(shì)朝向多維度的深化層面，面向量產(chǎn)應(yīng)用，3D打印突破當(dāng)前應(yīng)用對(duì)經(jīng)濟(jì)性要求的限制，向應(yīng)用端深度延伸走向產(chǎn)業(yè)化的一條發(fā)展路徑是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的產(chǎn)品。

/ 低溫運(yùn)行的自潤(rùn)滑齒輪

據(jù)悉， NASA的COLDArm 項(xiàng)目中的機(jī)器人關(guān)節(jié)和執(zhí)行器中的金屬玻璃齒輪合金具有無(wú)序的原子級(jí)結(jié)構(gòu)，使其既堅(jiān)固又富有彈性，足以承受這些異常低溫。典型的齒輪箱需要加熱才能在這樣的低溫下運(yùn)行。BMG 齒輪電機(jī)已經(jīng)過(guò)測(cè)試并在大約 -279 華氏度（-173 攝氏度）下成功運(yùn)行，無(wú)需加熱輔助。這種齒輪電機(jī)是使機(jī)械臂能夠在極冷環(huán)境中運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一，例如在月球夜晚。

四個(gè)組裝的機(jī)器人關(guān)節(jié)之一，包括用于 COLDArm 機(jī)器人手臂每個(gè)關(guān)節(jié)的大塊金屬玻璃齒輪電機(jī)

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包含BMG齒輪的四個(gè)關(guān)節(jié)中的每一個(gè)都將在手臂完全組裝后進(jìn)行測(cè)試，機(jī)器人關(guān)節(jié)測(cè)試將包括測(cè)功機(jī)測(cè)試以測(cè)量扭矩/轉(zhuǎn)速和低溫?zé)嵴婵諟y(cè)試以了解設(shè)備如何在類(lèi)似于太空的環(huán)境中應(yīng)用。一旦通過(guò)測(cè)試，BMG 齒輪和 COLDArm冷可操作月球可展開(kāi)臂將在月球、火星和海洋世界的極端環(huán)境中執(zhí)行未來(lái)任務(wù)。

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COLDArm 項(xiàng)目由月球表面創(chuàng)新計(jì)劃資助，并由美國(guó)宇航局NASA空間技術(shù)任務(wù)理事會(huì)的改變游戲規(guī)則發(fā)展計(jì)劃管理。在NASA小型企業(yè)創(chuàng)新研究計(jì)劃下，一家名為Motiv Space Systems正在領(lǐng)導(dǎo) COLDArm手臂和電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)和制造，3D科學(xué)谷認(rèn)為這或許將開(kāi)啟協(xié)作機(jī)器人應(yīng)用的新時(shí)代。

/ 高精度齒輪與協(xié)作機(jī)器人

1990 年代中期，兩位西北大學(xué)教授以一個(gè)新術(shù)語(yǔ)為替代概念申請(qǐng)了專(zhuān)利：協(xié)作機(jī)器人。旨在與人類(lèi)合作的協(xié)作機(jī)器人將更小、更智能、反應(yīng)更靈敏、意識(shí)更強(qiáng)，具有更嚴(yán)格的自我控制和更好的舉止。從那以后的幾年里，人工智能和傳感器的飛躍使這些“更友好”的機(jī)器人成為現(xiàn)實(shí)，但成本仍然阻礙了它們的廣泛采用。

然而，最大的成本因素并不總是先進(jìn)的軟件和傳感器。還歸結(jié)為一些最基本的機(jī)器部件：例如齒輪，據(jù)悉，在某些協(xié)作機(jī)器人的制造中，高精度齒輪的成本至少是機(jī)械臂的一半。

現(xiàn)在總部位于加利福尼亞州的 Amorphology 希望降低協(xié)作機(jī)器人的價(jià)格，這些技術(shù)最初是為從未用于人類(lèi)互動(dòng)的機(jī)器人（美國(guó)宇航局的行星漫游車(chē)）制造的。

與地球上的大多數(shù)齒輪一樣，NASA 漫游車(chē)上的齒輪是由鋼制成的，既堅(jiān)固又耐磨。但是鋼齒輪需要液體潤(rùn)滑，而油在月球或火星表面等寒冷環(huán)境中效果不佳。因此，例如，美國(guó)宇航局的好奇號(hào)火星車(chē)每次準(zhǔn)備開(kāi)始滾動(dòng)時(shí)都要花費(fèi)大約三個(gè)小時(shí)來(lái)加熱潤(rùn)滑油，消耗了大約四分之一的可自由支配的能量。

金屬玻璃（非晶態(tài)合金）可以在其原子形成所有其他金屬共有的晶格結(jié)構(gòu)之前從液態(tài)快速冷卻為固態(tài)。原子像玻璃一樣隨機(jī)排列，賦予了玻璃和金屬的材料特性。根據(jù)它們的組成元素——通常包括鋯、鈦和銅——金屬玻璃可能非常堅(jiān)固，而且因?yàn)樗鼈儾皇墙Y(jié)晶的，所以金屬玻璃是有彈性的。

大多數(shù)組合物還形成堅(jiān)硬、光滑的陶瓷氧化物表面，這些特性共同為由一些非晶態(tài)金屬制成的齒輪提供了長(zhǎng)壽命而無(wú)需潤(rùn)滑的特點(diǎn)。這對(duì) NASA 來(lái)說(shuō)非常重要，因?yàn)榭梢栽诓粷?rùn)滑齒輪箱的情況下運(yùn)行齒輪箱。

目前，Motiv Space Systems 公司為月球任務(wù)合作開(kāi)發(fā)的冷可操作月球可部署臂 (COLDArm) 預(yù)計(jì)將使用大塊金屬玻璃齒輪在低至 -290 華氏度的溫度下運(yùn)行，而無(wú)需安裝熱源。

金屬玻璃（非晶態(tài)金屬）還有另一個(gè)特性，這些合金的設(shè)計(jì)具有低熔點(diǎn)，因?yàn)橐圃旖饘俨ＡВ仨氉尯辖鹄鋮s得比結(jié)晶速度快，這種低熔點(diǎn)，加上它們的固有強(qiáng)度以及它們的體積在固化時(shí)幾乎沒(méi)有變化的事實(shí)，這可以大大降低制造齒輪等零件的成本。

然而，金屬玻璃（非晶態(tài)金屬）的制造是充滿挑戰(zhàn)的過(guò)程，特別是通常需要高于其熔化溫度，并迅速冷卻，使其避免結(jié)晶，從而形成的非晶態(tài)金屬玻璃。制造過(guò)程需要非凡的冷卻速度，并限制了它們可以形成的厚度，因?yàn)檩^厚的部分很難被迅速冷卻。

用鋼塊加工的最困難、最昂貴的齒輪部件是機(jī)械臂中最常見(jiàn)的部件之一：柔性花鍵，這是一種帶有齒形邊緣的極薄壁柔性杯。這是所謂的波動(dòng)齒輪組件的核心部件，與其他齒輪組相比，柔性花鍵提供更好的精度、更高的扭矩和更低的齒隙。這消除了在具有多個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)器人肢體中可能會(huì)出現(xiàn)的定位錯(cuò)誤。

柔性花鍵是看起來(lái)非常奇怪的齒輪，但它是精密機(jī)器人的核心和靈魂。根據(jù)3D科學(xué)谷的了解這就是用非晶態(tài)金屬成型可以最大程度節(jié)省成本的地方：成本大約是用鋼加工應(yīng)變波齒輪的一半。

/ 自潤(rùn)滑齒輪與金屬玻璃

成型小型高性能行星齒輪和應(yīng)變波齒輪成為于 2014年創(chuàng)立的 Amorphology的核心業(yè)務(wù)計(jì)劃。通過(guò)加州理工學(xué)院，該公司為NASA開(kāi)發(fā)的技術(shù)獲得了多項(xiàng)專(zhuān)利。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)了解，Amorphology 并不是第一家加州理工學(xué)院的金屬玻璃創(chuàng)新商業(yè)化的公司，但眾所周知，創(chuàng)建一家基于新材料的初創(chuàng)公司非常困難。這其中的困難包括需要為這種材料找到一個(gè)長(zhǎng)期市場(chǎng)，而大塊金屬玻璃 (BMG) 齒輪是朝著大塊金屬玻璃持續(xù)商業(yè)成功邁出的一大步。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，2017年美國(guó)加州理工大學(xué)通過(guò)增材制造技術(shù)來(lái)獲得非晶態(tài)金屬的專(zhuān)利獲批，當(dāng)時(shí)，該技術(shù)已與國(guó)際上著名的幾家大型企業(yè)開(kāi)始展開(kāi)商業(yè)合作對(duì)話。值得一提的是該專(zhuān)利的發(fā)明人Douglas Hofmann正是Amorphology公司的創(chuàng)始人。

加州理工大學(xué)制造非晶態(tài)金屬的方法為：將第一層金屬合金表面高溫熔融；迅速冷卻這層熔融金屬合金，凝固形成非晶態(tài)金屬的第一層；然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行下一層的加工。在這個(gè)過(guò)程中使用的是“噴涂技術(shù)”應(yīng)用至每一層，包括等離子噴涂、電弧噴涂等方法。“噴涂技術(shù)”可以使用的原材料包括：金屬絲和金屬粉末。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，該“噴涂技術(shù)”為DED直接能量沉積3D打印技術(shù)。

/ 低溫運(yùn)行的自潤(rùn)滑齒輪

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，非晶態(tài)金屬進(jìn)入商業(yè)化在2017年已經(jīng)成為金屬增材制造界的熱門(mén)話題。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，此前，EOS還投資非晶態(tài)金屬3D打印初創(chuàng)企業(yè)Exmet，Exmet是從2016年起與德國(guó)材料巨頭Heraeus集團(tuán)合作研發(fā)非晶態(tài)金屬3D打印技術(shù)，與加州理工大學(xué)所使用的DED技術(shù)不同的是，Exmet在工廠中配備了一臺(tái)EOS M 290 金屬3D打印機(jī)，用于制造高性能的非晶態(tài)金屬零部件。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，Exmet公司還與賀利氏（Heraeus )合作研發(fā)非晶態(tài)金屬3D打印技術(shù)，賀利氏在2019年4月初發(fā)布了他們通過(guò)SLM （選區(qū)激光熔化）3D打印技術(shù)制造的非晶態(tài)金屬齒輪。賀利氏表示是迄今為止全球最大的非晶態(tài)金屬部件，他們正在突破非晶態(tài)金屬的制造界限，為制造業(yè)開(kāi)辟非晶態(tài)金屬的全新設(shè)計(jì)可能性。賀利氏開(kāi)發(fā)的3D打印非晶態(tài)金屬齒輪采用拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)制造工藝相比，齒輪重量能夠減輕50％。賀利氏通過(guò)SLM 3D打印技術(shù)，在非晶態(tài)金屬齒輪的尺寸和設(shè)計(jì)復(fù)雜性方面重新定義了傳統(tǒng)技術(shù)的限制，改變了這類(lèi)材料的設(shè)計(jì)可能性。