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       2022 年初，由美国宇航局NASA位于南加州的喷气推进实验室领导的冷可操作月球可展开臂 (COLDArm) 项目成功地将特殊齿轮集成到机械臂的部件中，该机械臂计划在未来几年投入到月球任务中。这些大块金属玻璃 (BMG) 齿轮集成到 COLDArm 的关节和执行器中，是通过改变游戏规则的开发大块金属玻璃（非晶态合金）齿轮项目开发的，可在低于华氏 280 度（负173摄氏度）的极端温度下运行。与网友一起来洞悉技术的发展如何推动人类探索宇宙的能力进步。

© 南加州大学

开启3D打印金属玻璃的商业化进程

       非晶态金属（金属玻璃）又称非晶态合金， 它既有金属和玻璃的优点， 又克服了它们各自的弊病．如玻璃易碎， 没有延展性．金属玻璃的强度高于钢， 硬度超过高硬工具钢， 且具有一定的韧性和刚性， 所以， 人们赞扬金属玻璃为“敲不碎、砸不烂”的“玻璃之王”

© 3D科学谷白皮书

      非晶态金属集众多优异性能于一身，如高强度、高硬度、耐磨以及耐腐蚀 等。这些优异的性能使其在航空航天、汽车船舶、装甲防护、精密仪器、电力、 能源、电子、生物医学等领域都存在广泛的应用前景。根据ACAM亚琛增材制造中心，3D打印-增材制造的发展趋势朝向多维度的深化层面，面向量产应用，3D打印突破当前应用对经济性要求的限制，向应用端深度延伸走向产业化的一条发展路径是实现结构更加复杂的产品。

 低温运行的自润滑齿轮

       据悉， NASA的COLDArm 项目中的机器人关节和执行器中的金属玻璃齿轮合金具有无序的原子级结构，使其既坚固又富有弹性，足以承受这些异常低温。典型的齿轮箱需要加热才能在这样的低温下运行。BMG 齿轮电机已经过测试并在大约 -279 华氏度（-173 摄氏度）下成功运行，无需加热辅助。这种齿轮电机是使机械臂能够在极冷环境中运行的关键技术之一，例如在月球夜晚。

四个组装的机器人关节之一，包括用于 COLDArm 机器人手臂每个关节的大块金属玻璃齿轮电机

© Motiv Space Systems, Inc.

      包含BMG齿轮的四个关节中的每一个都将在手臂完全组装后进行测试，机器人关节测试将包括测功机测试以测量扭矩/转速和低温热真空测试以了解设备如何在类似于太空的环境中应用。一旦通过测试，BMG 齿轮和 COLDArm冷可操作月球可展开臂将在月球、火星和海洋世界的极端环境中执行未来任务。

© Motiv Space Systems, Inc.

     COLDArm 项目由月球表面创新计划资助，并由美国宇航局NASA空间技术任务理事会的改变游戏规则发展计划管理。在NASA小型企业创新研究计划下，一家名为Motiv Space Systems正在领导 COLDArm手臂和电机控制器的设计和制造，3D科学谷认为这或许将开启协作机器人应用的新时代。

 高精度齿轮与协作机器人

         1990 年代中期，两位西北大学教授以一个新术语为替代概念申请了专利：协作机器人。旨在与人类合作的协作机器人将更小、更智能、反应更灵敏、意识更强，具有更严格的自我控制和更好的举止。从那以后的几年里，人工智能和传感器的飞跃使这些“更友好”的机器人成为现实，但成本仍然阻碍了它们的广泛采用。然而，最大的成本因素并不总是先进的软件和传感器。还归结为一些最基本的机器部件：例如齿轮，据悉，在某些协作机器人的制造中，高精度齿轮的成本至少是机械臂的一半。现在总部位于加利福尼亚州的 Amorphology 希望降低协作机器人的价格，这些技术最初是为从未用于人类互动的机器人（美国宇航局的行星漫游车）制造的。与地球上的大多数齿轮一样，NASA 漫游车上的齿轮是由钢制成的，既坚固又耐磨。但是钢齿轮需要液体润滑，而油在月球或火星表面等寒冷环境中效果不佳。因此，例如，美国宇航局的好奇号火星车每次准备开始滚动时都要花费大约三个小时来加热润滑油，消耗了大约四分之一的可自由支配的能量。金属玻璃（非晶态合金）可以在其原子形成所有其他金属共有的晶格结构之前从液态快速冷却为固态。原子像玻璃一样随机排列，赋予了玻璃和金属的材料特性。根据它们的组成元素——通常包括锆、钛和铜——金属玻璃可能非常坚固，而且因为它们不是结晶的，所以金属玻璃是有弹性的。

        大多数组合物还形成坚硬、光滑的陶瓷氧化物表面，这些特性共同为由一些非晶态金属制成的齿轮提供了长寿命而无需润滑的特点。这对 NASA 来说非常重要，因为可以在不润滑齿轮箱的情况下运行齿轮箱。目前，Motiv Space Systems 公司为月球任务合作开发的冷可操作月球可部署臂 (COLDArm) 预计将使用大块金属玻璃齿轮在低至 -290 华氏度的温度下运行，而无需安装热源。金属玻璃（非晶态金属）还有另一个特性，这些合金的设计具有低熔点，因为要制造金属玻璃，必须让合金冷却得比结晶速度快，这种低熔点，加上它们的固有强度以及它们的体积在固化时几乎没有变化的事实，这可以大大降低制造齿轮等零件的成本。

         然而，金属玻璃（非晶态金属）的制造是充满挑战的过程，特别是通常需要高于其熔化温度，并迅速冷却，使其避免结晶，从而形成的非晶态金属玻璃。制造过程需要非凡的冷却速度，并限制了它们可以形成的厚度，因为较厚的部分很难被迅速冷却。

         用钢块加工的最困难、最昂贵的齿轮部件是机械臂中最常见的部件之一：柔性花键，这是一种带有齿形边缘的极薄壁柔性杯。这是所谓的波动齿轮组件的核心部件，与其他齿轮组相比，柔性花键提供更好的精度、更高的扭矩和更低的齿隙。这消除了在具有多个关节的机器人肢体中可能会出现的定位错误。

柔性花键是看起来非常奇怪的齿轮，但它是精密机器人的核心和灵魂。根据3D科学谷的了解这就是用非晶态金属成型可以最大程度节省成本的地方：成本大约是用钢加工应变波齿轮的一半。

 自润滑齿轮与金属玻璃

      成型小型高性能行星齿轮和应变波齿轮成为于 2014年创立的 Amorphology的核心业务计划。通过加州理工学院，该公司为NASA开发的技术获得了多项专利。Amorphology 并不是第一家加州理工学院的金属玻璃创新商业化的公司，但众所周知，创建一家基于新材料的初创公司非常困难。这其中的困难包括需要为这种材料找到一个长期市场，而大块金属玻璃 (BMG) 齿轮是朝着大块金属玻璃持续商业成功迈出的一大步。2017年美国加州理工大学通过增材制造技术来获得非晶态金属的专利获批，当时，该技术已与国际上著名的几家大型企业开始展开商业合作对话。值得一提的是该专利的发明人Douglas Hofmann正是Amorphology公司的创始人。

       加州理工大学制造非晶态金属的方法为：将第一层金属合金表面高温熔融；迅速冷却这层熔融金属合金，凝固形成非晶态金属的第一层；然后在此基础上进行下一层的加工。在这个过程中使用的是“喷涂技术”应用至每一层，包括等离子喷涂、电弧喷涂等方法。“喷涂技术”可以使用的原材料包括：金属丝和金属粉末。根据3D科学谷的市场研究，该“喷涂技术”为DED直接能量沉积3D打印技术。

 低温运行的自润滑齿轮

       非晶态金属进入商业化在2017年已经成为金属增材制造界的热门话题。根据3D科学谷的市场观察，此前，EOS还投资非晶态金属3D打印初创企业Exmet，Exmet是从2016年起与德国材料巨头Heraeus集团合作研发非晶态金属3D打印技术，与加州理工大学所使用的DED技术不同的是，Exmet在工厂中配备了一台EOS M 290 金属3D打印机，用于制造高性能的非晶态金属零部件。

       Exmet公司还与贺利氏（Heraeus )合作研发非晶态金属3D打印技术，贺利氏在2019年4月初发布了他们通过SLM （选区激光熔化）3D打印技术制造的非晶态金属齿轮。贺利氏表示是迄今为止全球最大的非晶态金属部件，他们正在突破非晶态金属的制造界限，为制造业开辟非晶态金属的全新设计可能性。贺利氏开发的3D打印非晶态金属齿轮采用拓扑优化结构，与传统制造工艺相比，齿轮重量能够减轻50％。贺利氏通过SLM 3D打印技术，在非晶态金属齿轮的尺寸和设计复杂性方面重新定义了传统技术的限制，改变了这类材料的设计可能性。

     根据中国科学院物理研究所，中国近10年在金属玻璃基本科学问题上取得了令国际瞩目的研究成果。例如：在金属玻璃中Beta弛豫的发现和表征,金属玻璃的流变机制,金属玻璃中的相变,金属玻璃的断裂准则,金属玻璃断裂形貌特征的物理解释,金属玻璃的弹性模型等研究。半个世纪以来,金属玻璃已发展成为航天航空等高技术和手机、手提电脑等时尚品争相选用的材料。作为兼有玻璃、金属、固体和液体特性的新型金属材料,金属玻璃保持了金属材料的很多最高记录,比如：迄今为止,金属玻璃是最强和最软的金属材料,是最强的穿甲材料,是最容易加工成型的金属材料,是最耐蚀的金属材料,是最理想的微、纳米加工材料之一。金属玻璃具有遗传、记忆、软磁、大磁熵等特性,还是研究材料科学和凝聚态物理中一些重要问题的模型体系。