据报道，美国麻省理工学院近日研发出一种3D打印的精密等离子传感器，成本低廉且易于制造。这些数字设备可以帮助科学家预测天气或研究气候变化。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。通过3D打印和激光切割工艺制造的半导体等离子传感器价格昂贵，并且由于在此过程中需要无尘环境，因此需要数周的复杂制造过程。相比之下，麻省理工学院开发的最新等离子体传感器仅需几天时间即可制造，成本高达数十美元。由于成本低、生产速度快，这种新型传感器非常适合立方体卫星，立方体卫星成本低、功耗低、重量轻，通常用于地球高层大气的通信和环境监测。研究团队使用玻璃陶瓷材料开发了新型等离子体传感器，这种材料比硅和薄膜涂层等传统传感器材料更具弹性。航天器在近地轨道上可能遇到的大温度波动。“增材制造将发挥重要作用，对未来的太空硬件产生重大影响，一些人认为，当3D打印某些物体时，人们不得不接受较低的性能，但我们现在已经证明情况并非总是如此。”.多功能传感器等离子体传感器于1959年首次用于太空任务，可检测漂浮在等离子体中的离子或带电粒子的能量，等离子体是地球上层大气中存在的过热分子混合物。在立方体卫星等轨道航天器上，等离子体传感器可以测量能量变化并进行化学分析，从而帮助科学家预测天气或监测气候变化。该传感器由一系列充满小孔的带电网格组成。当等离子体通过空穴时，电子和其他粒子被剥离，直到只剩下离子。当这些离子产生电流时，传感器会对其进行测量和分析。等离子体传感器应用成功的关键是对齐网格的孔状结构，它必须是电绝缘的，同时能够承受剧烈的温度波动。研究人员使用了满足上述要求的Vitrolite，这是一种可3D打印的玻璃陶瓷材料。特征。据悉，Vitrolite材料最早出现于20世纪初，常被用于彩色瓷砖的设计中，成为装饰艺术建筑中最常见的材料。耐用的Vitrolite材料可以承受高达800摄氏度的温度而不会分解，而IC结构等离子体传感器中的聚合物材料在400摄氏度时开始熔化。“当工人在洁净室中制造这种传感器时，他们没有相同的自由度来定义材料和结构以及它们如何相互作用，但这可能会导致增材制造的最新发展，”加西亚说。重新认识等离子体传感器的3D打印过程陶瓷材料的3D打印过程通常涉及陶瓷粉末的激光轰击，将其融合成各种形状和结构。然而，由于激光释放的高热量，制造过程中往往会使材料变得粗糙，产生瑕疵。然而，麻省理工学院的科学家们使用了还原聚合，这是一种几十年前在制造过程中使用聚合物或树脂进行增材制造的工艺。在还原聚合中，将物料反复浸入盛有Vitrolite液体材料的还原筒中，浸入一次后形成一层三维结构。每层结构形成后，材料用紫外线固化。每层结构的厚度只有100微米（相当于一根头发的直径。），最后反复浸入Vitrolite液体材料中，就会形成光滑、无孔、复杂的陶瓷结构。在数字化制造过程中，设计文档中描述的制造对象可能非常复杂。这种高精度设计需要研究人员使用具有独特结构的激光切割网格。打印完成后，将其安装在等离子体传感器的外壳中。它可以完美地排列，让更多的离子通过，从而获得更高精度的测量数据。由于传感器价格低廉且生产速度快，研究团队制作了四个具有独特设计的原型。其中一种原型设计在捕获和测量大规模等离子体方面特别有效，尤其适用于轨道卫星测量等离子体，另一种非常适合测量极密、极冷的等离子体，这些通常只有超精密半导体设备才有测量。高精度设计可以使3D打印传感器用于聚变能研究或超音速飞行，Garcia补充说，快速3D打印过程甚至可以在卫星和航天器设计方面带来更多创新。“如果你想不断创新，你就必须面对失败并承担风险，”加西亚说。“增材制造是制造太空设备的另一种方式。我们可以制造太空设备。即使过程失败，也没关系，因为我们仍然可以快速廉价地制造新版本，并迭代设计。对于研究人员，这是一个非常理想的沙盒效果。据悉，虽然加西亚对等离子体传感器的最新设计感到满意，但他希望未来能继续改进制造工艺。复杂的设备。此外，完全增材制造工艺可以使其与空间制造的兼容性越来越强，他还希望探索利用人工智能不断优化特定应用场景的传感器设计，例如在保证结构稳定性的同时大幅减轻传感器重量。
