根据3D科学谷的市场观察，2022年初，由美国宇航局位于南加州的喷气推进实验室领导的冷操作月球可展开臂项目成功地将特殊齿轮集成到机械臂的组件中，计划在未来几年内投入月球任务。

这些大型金属玻璃(BMG)齿轮被集成到COLDArm的关节和致动器中，这些关节和致动器是通过改变游戏规则而开发的，可以在低于280华氏度(-173摄氏度)的极端温度下运行。本期，3D科学谷和谷友一起来了解技术的发展是如何推动人类探索宇宙能力的进步的。

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，既有金属和玻璃的优点，又克服了各自的缺点。例如，玻璃易碎，没有延展性。金属玻璃的强度比钢高，硬度比高硬度工具钢高，具有一定的韧性和刚性。因此，人们把金属玻璃誉为“玻璃之王”，打不破，砸不烂。

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非晶态金属具有许多优异的性能，如高强度、高硬度、耐磨性和耐腐蚀性。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、生物医学等领域具有广泛的应用前景。

ACAM亚琛增材制造中心表示，3D打印-增材制造的发展趋势是多维度的，面向量产应用。3D打印突破了当前应用对经济要求的限制，向应用端延伸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，美国宇航局COLDArm项目中机器人关节和致动器中的金属玻璃齿轮合金具有无序的原子结构，这使得它具有足够的强度和弹性来承受这些异常的低温。典型的齿轮箱需要加热才能在如此低的温度下运行。BMG齿轮马达已经在没有加热辅助的情况下在大约-279华氏度(-173摄氏度)下成功测试和运行。这种齿轮电机是使机械手在极寒环境下运行的关键技术之一，比如在月夜。

四个装配好的机器人关节之一，包括COLDArm机器人臂每个关节的大型金属玻璃齿轮电机。

Motiv空间系统公司。

包含BMG齿轮的四个关节中的每一个都将在臂完全组装后进行测试，机器人关节测试将包括测量扭矩/速度的测功机测试和低温热真空测试，以了解设备如何在类似太空的环境中应用。一旦通过测试，BMG齿轮和COLDArm冷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的任务。

Motiv空间系统公司。

COLDArm项目由月球表面创新计划资助，由美国宇航局空间技术任务委员会的游戏改变发展计划管理。在美国宇航局的小企业创新研究计划下，Motiv Space Systems正在领导COLDArm和电机控制器的设计和制造，3D科学谷认为这可能会开启一个协作机器人应用的新时代。

/高精度齿轮和协作机器人

90年代中期，西北大学的两位教授用一个新名词作为替代概念申请了一项专利:合作机器人。旨在与人类合作的合作机器人将更小、更聪明、反应更灵敏、更有意识、自制力更强、举止更好。在随后的几年里，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。这也涉及到一些基本的机器部件:比如齿轮。据悉，在一些合作机器人的制造中，高精度齿轮的成本至少是机械臂的一半。

现在，总部位于加州的Amorphology希望减少合作机器人的数量。价格这些技术最初是为从未用于人类交互的机器人(NASA的行星漫游车)制造的。

像地球上的大多数齿轮一样，NASA火星车上的齿轮由钢制成，既坚固又耐磨。然而，钢齿轮需要液体润滑，在月球或火星表面等寒冷环境下，油是无效的。所以，比如NASA的好奇号火星车每次准备开始滚动的时候，大概需要三个小时来加热润滑油，消耗掉大概四分之一的一次性能源。

金属玻璃(非晶态合金)在其原子形成所有其他金属共有的晶格结构之前，可以迅速从液态冷却到固态。原子像玻璃一样随机排列，赋予玻璃和金属材料特性。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，因为它们不是晶体，金属玻璃是弹性的。

大多数组合物还形成坚硬且光滑的陶瓷氧化物表面，这些表面一起为由一些非晶体金属制成的齿轮提供长寿命而无需润滑。这对NASA来说非常重要，因为它可以在不润滑的情况下运行变速箱。

目前，动力空间系统公司 公司为月球任务联合开发的冷操作月球可展开臂(COLDArm)预计将在低至零下290华氏度的温度下使用大型金属玻璃齿轮进行操作，而无需安装热源。

金属玻璃(非晶态金属)还有一个特点。这些合金被设计成具有低熔点，因为为了制造金属玻璃，合金的冷却速度必须快于结晶速度。这种低熔点，加上其固有的强度和固化过程中体积几乎不变的事实，可以大大降低齿轮等零件的制造成本。

然而，金属玻璃(非晶态金属)的制造是一个具有挑战性的过程，尤其是非晶态金属玻璃，其通常需要冷却到其熔化温度以上以避免结晶。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，因为较厚的零件很难快速冷却。

用钢块加工难度最大、价格最高的齿轮零件是机械臂中最常见的零件之一:柔性花键，是一种极薄壁的带齿边的柔性杯体。这就是所谓的波动齿轮总成的核心部件。与其他齿轮组相比，柔性花键具有更高的精度、更高的扭矩和更低的齿隙。这消除了具有多个关节的机器人肢体中可能出现的定位误差。

柔性花键是一个看起来很奇怪的齿轮，但它是精密机器人的核心和灵魂。按照3D科学谷的理解，这是用非晶金属成型能最大程度节约成本的地方:成本是用钢加工应变波齿轮的一半左右。

/自润滑齿轮和金属玻璃

形成小型高性能行星齿轮和应变波齿轮已经成为Amorphology的核心业务计划，Amorphology成立于2014年。通过加州理工学院公司为NASA开发的技术获得了多项专利。

根据3D科学谷的市场了解，Amorphology并不是加州理工学院第一个金属玻璃的创新商业化。公司但是众所周知，创建一个基于新材料的创业公司。公司非常难。困难包括需要找到这种材料的长期市场，BMG齿轮是朝着BMG齿轮连续商业成功迈出的一大步。

根据3D科学谷的市场调研，2017年，加州理工学院通过增材制造技术获得了非晶态金属的专利。当时，该技术已经与几家国际知名的大型企业展开了业务合作对话。值得一提的是，这项专利的发明人道格拉斯·霍夫曼(Douglas Hofmann)是一位Amorphology。公司的创始人。

加州理工学院制造非晶体金属的方法是:高温熔化第一层金属合金表面；快速冷却该层熔融金属合金并凝固以形成第一层非晶体金属；然后在此基础上进行下一层的处理。在这个过程中，每一层都应用了“喷涂技术”，包括等离子喷涂、电弧喷涂等方法。可用于“喷涂技术”的原料包括:金属丝和金属粉末。根据3D科学谷的市场调研，这种“喷涂技术”就是DED直接能量沉积3D打印技术。

低温运行的自润滑齿轮

根据3D科学谷的市场调研，非晶金属的商业化已经成为2017年金属增材制造领域的热门话题。根据3D科学谷的市场观察，EOS还投资了非晶体金属3D打印初创公司Exmet。自2016年以来，Exmet与德国材料巨头Heraeus集团合作开发非晶金属3D打印技术，这种技术不同于加州理工学院使用的DED技术。Exmet在工厂配备了一台EOS M 290金属3D打印机，用于制造高性能非晶金属零件。

根据Exmet三维科学谷的市场观察公司它还与Heraeus合作开发了非晶态金属的3D打印技术。2019年4月初，贺利氏发布了他们采用SLM(选择性激光熔化)3D打印技术制造的非晶金属齿轮。好时表示，这是迄今为止世界上最大的非晶态金属零件，他们正在突破非晶态金属的制造边界，为制造业开辟非晶态金属的新设计可能性。好时研发的3D打印非晶金属齿轮采用拓扑优化结构。与传统制造工艺相比，齿轮重量可减轻50%。通过SLM 3D打印技术，好时重新定义了传统技术在非晶金属齿轮尺寸和设计复杂度上的限制，改变了这类材料的设计可能性。

据中国科学院物理研究所介绍，近10年来，我国在金属玻璃基础科学方面取得了显著成就。比如金属玻璃中β弛豫的发现和表征，金属玻璃的流变机理，金属玻璃中的相变，金属玻璃的断裂判据，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等。半个世纪以来，金属玻璃已经发展成为航空航天等高科技产品和手机、笔记本电脑等时尚产品的材料。金属玻璃作为一种兼具玻璃、金属、固体和液体特性的新型金属材料，保持了多项金属材料的最高纪录。例如，金属玻璃是迄今为止最强和最软的金属材料，最强的穿甲材料，最容易加工的金属材料， 最耐腐蚀的金属材料和最理想的微纳米加工材料之一。金属玻璃具有遗传、记忆、软磁和大磁熵的特性，也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。