美国宇航局最近宣布，未来的火箭发动机将包括大型3D打印部件。其他一些公司正在探索如何将3D打印增材制造应用于未来的太空项目。一家名为nTopology的公司开发了一种软件，可以无缝地将合成几何和模拟与先进的制造工具(如增材技术)结合使用。瑞安·奥哈拉，航天和国防技术总监ntopology.，讨论了用于太空和航空航天工业的添加剂项目。
增材制造为航空航天和太空探索提供了一些好处。根据奥哈拉的说法，任何陆基物体，特别是任何进入太空的工程部件都是一个组合部件或组件。将这样一个部件发射到太空最终需要大量的资金。虽然美国国家航空航天局(NASA)正在推动太空探索，但地球上的资源只能让你走这么远。这是有限度的。
但如果零件提前组装，任务可能更容易处理。
奥哈拉说道:“我认为太空探索将成为一种物流游戏。“我在军队待过一段时间，之前是在空军，后勤是任何军事行动的重要组成部分。太空行动也是如此;一个庞大的物流计划。因此，你的供给离你的工作地点越近，你的生活就越好。”
从根本上说，nTopology是一家专注于高级几何的软件公司，它处理一些项目比传统的设计工具更好。奥哈拉和他的团队经常被邀请讨论太空应用，因为人们想让他们的部件更轻，以降低将物体发射到太空的成本。此外，还有可能利用小行星、卫星或其他行星上发现的矿物质。通常，这需要一些先进的制造方法。
Ntopology软件将被分类为生成设计软件。但诺博特科软件和其他生成程序之间最大的不同之处在于Ntopology代表了隐式数学方程的几何图形。
“就像有方程式描述了单位像球体和立方体一样的等式，”Notes O'Hara“，我们可以代表所有类型的几何形状作为隐式数学方程。这使得存储等式更容易存储等式而不是该几何的离散化。“
离散化意味着，与用平面、三角形或其他几何形式描述一个物体不同，描述是一个单一的方程，可以在程序进入3D打印机之前离散成所需的形状。用程序软件将其离散成一个方程。
空间增材制造的挑战
“每个人都一直在寻找一个”魔药“，让他们的设计更好，”奥哈拉说明。“我认为该行业本身与营销团队协调，也许夸大了如何在实现最佳设计方面的方式。我认为我们公司拥有的大件或焦点是公司名称 - Ntopology，这对于“任何拓扑”来说是短暂的。我们的创始人的重点是使设计人员能够生产他们想要的任何几何形状或任何拓扑。我认为这是我们的核心使命。然后我们将那些东西与模拟。“
结合拓扑优化和模拟，让设计师优化各种因素，包括压力。
“但关键是，即使我们启用了任何拓扑结构，我们也不会取代设计师，”O’hara补充道。“我们只是消除了设计师制作几何体的障碍。我认为这是我们的根本区别。我认为这将是愚蠢的假设对我们设计师有20年经验的空间应用,或者我不知道,涉及辐射发电反应堆的空间,那将是愚蠢的认为我们可以用一种算法代替那个人。但如果他们需要能够将设计提升到下一个层次的几何学，那正是我们想要实现的。”
与空间相关的一个例子是换热器的设计。在太空中，管理热量很重要，但是有一个主要差异。“你没有氛围，对，”笔记奥哈拉。“交换热量有三种主要方法：对流空气或流体在物体上移动;辐射 - 实际上辐射热量;和传导。所以现在，您可能必须更具战略性，更符合设计过程，以解释缺失的物理学，因为您在没有氛围的空间中。“
奥哈拉和他的团队一直在探索热交换器可用的几何形状。其中一个几何图形是已知的具有最小曲面的三周期，它是空间中正弦和余弦的组合。它们代表了一个弯曲的形状，里面有通道。关键是它们有两个区域，一个是热的一面，一个是冷的一面。
“我们发现，它们提供了令人难以置信的热量交换能力，比我们传统的‘管壳式’更强。”
(A traditional heat exchanger typically has tubes inside and then passes either a hot or cold fluid. The tubes are surrounded by an outer chamber that usually flows a cold fluid. These simple geometries are easy to manufacture, but they don’t necessarily maximize the space associated with a volume.)
“我们传统的拓扑优化程序产生的形状看起来像生物灵感或有机。我们的几何学表现非常适合重复结构，比如带有螺旋或螺旋形状的鹦鹉螺几何学。在螺旋形的内部是腔室。一个螺旋实际上是正弦和余弦的组合，在这种情况下是二维的，通常是在X和y中，如果你把它们结合在第三维中，那么我们就可以很好地利用空间。但传统的拓扑优化采用的是一种试图最大化零件刚度的算法。这个刚度，当你做这个操作时，实际上可以让你从根本上想象物体的载荷路径。
“然后使用该算法，我们可以将材料放在需要的地方。我们代表那些几何形状的方法涵盖了跨越微尺度的跨度。“
空间和航空航天防御勘探中的添加剂益处
在太空中使用增材制造的一个更大的好处是可以用手头的材料制造零件，这影响了物流。
“我们不会拿走我们需要的所有材料进入太空。因此，您将必须使用可用的资源。我们可能无法在火星上建造钢厂。也许宇航员刚刚建立了一个粗地基。但也许制造材料是用火星，地下和粉末的岩石生产的，然后与某种粘合剂结合在一起。或者，如果有更多的金属化合物，则材料在一起熔化在一起。我认为，添加剂制造将是能够利用随时可用的资源来利用这些空间探险者的资源。“
尽管太空制造存在许多障碍，但这个市场正在爆炸式增长，小型私营企业正在填补这个利基市场。奥哈拉认为，使用增材制造技术来帮助生产可以发射到太空的火箭，是太空探索的民主化。展望未来，是否有办法在物流游戏中利用添加剂?
O'Hara的团队正在探索拓扑优化，其中零件具有使用添加剂制造的生物学，有机形状，在那里提供免费的。一个例子是用于铸造操作的砂铸模具。它们将在通过添加剂制造制造的模具中浇注铝。模具将是环氧粘合剂中的沙子组合。这些过程可能会用于空间应用，在那里您将核心材料绑定在一起以产生零件。
奥哈拉说:“就太空和先进制造业而言，现在有很多可用的能力。我认为，我所看到的最大的采用障碍可能只是人们探索这些新技术的意愿，而不是传统的“我们一直在做的方式”。我认为，未来取决于工程师的大胆探索，新的设计能力和新的先进制造能力，以实现未来。”
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