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3D打印进入太空,造物的新局面就开始了

发表时间:2020-03-30

3D打印技术又称增材制造,堪称新时代的造物技术。这种以金属或塑料等材料为打印原料、以数字模型为基础进行逐层打印的技术,类似我们的数字油画,在对应的数字编号处涂上颜料,数字编号全部着色,整幅画也就完成了。如果数字编号更精细,二维的涂色变成三维的填充,就形成了3D打印的制造过程。

3D打印技术这种精细分解、化零为整的技术特点,可能产生非常惊艳的结果:它几乎可以造出任何形状的物品;整体设计制造,连接件较少甚至没有连接件,省工省料,有利于缩短研制周期、提高构件力学性能;按数字模型进行粘合剂和其它元素的添加,生成的新材料更均匀,成本可能更低,设计更轻;有些制造上无法攻克的复杂工艺,3D打印可能是解决的一个新途径。今天,在工业制造、航空、医疗、教育、文创等多个领域,3D打印已经很常见。很多场景中它看上去并非不可替代,而在航天领域,它是刚需。

航天工程以高成本著称。一是经济成本——地球庞大的引力势阱,带来了地球与太空之间巨大的运输成本。二是时间成本——技术研发、产品研制往往持续数年,发射准备也要数个月。三是技术成本——除去高科技的研制应用,元器件的生产制造过程也需要复杂且昂贵的工艺。四是可靠性成本——空间环境的特殊性,对航天产品和发射活动的可靠性要求非常高。随着全球商业航天的兴起和航天产业的培育、发展,航天工程需要从高成本向低成本逐步转变。3D打印,就是这一转变过程中的工具之一。

3D打印在航天领域的应用,包括For Space和In Space的应用。前者是指为了进入太空而制造航天设备的应用,后者则是指在空间环境中就地打印制造的应用。简单地说,一个在地面造好,一个在天上现造。

较短时间内,3D打印能够生产高可靠的航天装备关键部件,提高生产效率,并可能通过轻型材料的选择为运载减重;相对于技术成熟的器件产品,这一技术也可以用于推动技术革新。在地面制造的For Space应用主要包括三类——

(1)航天器部组件打印

2014 年 1 月 6 日,SpaceX 发射了一枚猎鹰 9 号火箭,火箭其中一台 Merlin 1D 引擎使用了3D 打印制造的主要氧化剂阀门(Main Oxidizer Valve,MOV)。相比传统部件,使用 3D 打印技术制造的部件具有更高的强度、延展性以及断裂强度。3D 打印的 MOV 只花了两天时间,使用传统浇铸技术生产则需要几个月。

SpaceX公司还用3D打印技术为其研制的龙飞船 2 号制造了SuperDraco推进器,实现了发动机由之前几十个不同零部组件缩减到现在的三个,并且将整个发动机的设计和制造周期缩短为几个月。

NASA利用3D打印技术,成功研制出了包含铜合金和铬镍铁合金的双金属火箭发动机点火器。由于点火器一次加工成型,效率大大提高,同时这两种金属在内部产生了粘结融合,进一步增强了点火器结构的稳定性。俄罗斯利用3D打印技术制造了纳米卫星外壳。

我国在3D打印技术For Space应用方面,也有不少成果。航天科技集团一院211厂利用3D打印成功试制出为发动机提供稳定动力输出的最关键部件:一体化喷注器。航天科技集团八院动力所与西北工业大学联合攻关,采用 3D 打印技术制造了固体姿轨控发动机上的燃气阀,一次成型,有效解决了传统工艺存在的工序繁复、效率低下、加工变形等问题。嫦娥四号中继星上,也有3D打印的多个复杂形状铝合金结构件。

在遥不可及的空间环境中,3D打印就地制造的特点,提供了广阔的In Space应用前景。

(1) 打印在轨急缺工具或航天器部组件替代品

2014 年,由 Made In Space 公司制造的第一台太空 3D 打印机在国际空间站上成功打印了一个扳手。这枚工具的图纸是由工程师在地面设计完成之后上传到 ISS的 3D 打印机中的。所以,只要在轨航天器通信不断网,任何常用的工具都可以由地面设计好,再命令太空中的 3D 打印机进行制造。

理论上来说,在轨运行的航天器,任何硬件都有坏的可能性。但一次航天活动不可能携带所有备份上天,通过后续发射送来替代部件也异常昂贵。那么,哪个部件坏了就在轨打印一个补上,绝对是最优方案。

(2) 空间废料变废为宝

Made in Space公司曾宣布要将其生产的塑料回收设备送入太空,好把在轨航天器内废弃的塑料处理成3D打印的原材料。此举可增加空间任务的自治能力和空间设备的工作寿命,降低费用和有效载荷的质量。同样,地球轨道上报废的卫星也可以当作原料,通过太空中的金属 3D 打印,形成新的产品。至于太空中已有的3D 打印产品万一损坏了,那就更简单了——只需要把它融化成原材料,再次打印即可。

(3) 在轨组装大型结构

目前人类发射入太空的航天器大小,主要受到其运载器大小的限制。对于一些不可展开的空间大型结构——比如 ISS,必须通过多次发射加在轨组装的形式,像搭积木一样一点一点地建起来。

换个思路呢?有公司研发了3D打印机器人SpiderFab,可在太空中打印、组装部组件,对航天器进行就地扩展。甚至还有计划要把3D打印技术用于在太空打造轻质桁架,以构建较大的网状结构。这一技术已经在地面进行了验证。

(4) 利用微重力特性打印地球人所需

对于合金制造、生物培养等活动而言,微重力的太空是一个迥异于地球的环境,3D打印则启动了一种新的生长方式。2018年12月,俄罗斯首先在国际空间站上使用3D生物打印机制造出了生物器官——老鼠的甲状腺。开展这一实验的俄罗斯3D Bioprinting Solutions公司宣布,还将与美国和以色列的科学家合作打印人体组织。公司表示,在零重力环境下,打印出来的器官和组织比在地球上成熟得更快,效率也更高,最新研究可能为在国际空间站上打印出人体器官铺平道路。

(5)利用外星原位资源搞基建

重返月球、登陆火星,人类必将走得更远。将建筑材料带到外星显然不可行,而利用外星原位资源进行3D打印制造,被认为是建造永久基地的一种方法。尽管面临如何优化工艺等问题,马歇尔空间飞行中心的研究表明,月壤矿物组成中包含了大量铝、钛、铁等元素,直接使用月球表面原材料进行3D打印制造完全可行。欧空局资助的一个项目专门研究在月球上怎样就地取材开展包括穹顶在内的基地建设,利用模拟月壤进行了地面测试,打印出了蜂窝结构构件。

失重环境中开展3D打印的可行性,已经在多次抛物线飞行和在轨操作中得到证明。咱们来开一下脑洞:假如未来某一天,某个AI机器人默默地在太空中打印了几类生物,培养,然后组装……传说中的外星人诞生了!

有什么不可能的呢?毕竟,宇宙的起源仍然是个谜呢。



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