3D打印机太空“首秀”

国际金属加工网 2018年06月21日

从接到设计图纸,到按下“打印”按钮,一个扳手很快便制造完成了——你能想象这是航天员在零重力环境下完成的操作吗?事实上,这是太空3D打印机的首次亮相。据悉,美国国家航空航天局与美国太空制造公司已签署合同,联合开发太空3D打印系统。在不久前结束的天津第二届世界智能大会上,有研究人员表示,未来太空3D打印技术在航天智能制造领域的应用潜力巨大。

轰隆隆的“太空制造厂”

在人类探索太空过程中,设备和材料的“补给线问题”,一直阻碍着人们飞向更远空间。随着3D打印技术快速发展,实现航天器零部件的“自给自足”正在成为可能。

从2010年开始,美国国家航空航天局与美国太空制造公司合作,先后进行了数百次微重力环境下的试验。为支持3D打印技术的发展,美国还于2012年8月专门成立了“国家增材制造创新联盟”。2014年,世界上首台太空3D打印机搭载“龙”飞船抵达国际空间站,先后打印出一系列太空专用零部件,揭开了人类“太空制造”的序幕。

其实,开一家“太空制造厂”并不复杂。理念与传统打印相一致,3D打印就是以模型文件为基础,运用粉末状金属和塑料等可黏合材料,通过逐层打印来构造物体的快速成型技术。传统的3D打印技术包括分层加工、叠加成型、逐层加热等工艺流程。

不过,太空3D打印也不是简单的“搭积木”。每一台发射升空的3D打印机,都有一颗聪慧澎湃的“芯”。航天员通过天地通信接收地面上传的零部件数字化三维模型,经过3D打印机后期软件处理后,才能自动生成具体控制数据和打印操作代码。因此,只要天地之间不断“网”,理论上任何工具都可以由地面设计好,然后交由3D打印机完成“太空制造”。

近年来,太空3D打印技术得到世界各国高度重视。2016年3月,美国国家航空航天局将升级版的3D打印机运往国际空间站,在太空环境中实现了更大体积和更高分辨率的打印作业;英国伯明翰大学研制出一台能在零重力下运行的金属3D打印机;德国某研究机构也于今年在零重力环境下“打印”出了金属工具。

太空遨游的“得力助手”

上个世纪末,汇聚人类智慧的哈勃太空望远镜发射升空。由于镜面制造出现微小误差,哈勃望远镜直接沦为了“近视眼”。在当时的航天技术条件下,人们只能再进行一次航天发射,专门为哈勃望远镜安装“近视眼镜”。整个修复过程需要完成地面制造、空地运输和空间装配等操作,最终耗费4年时间和数亿美元,才使这台精密设备恢复正常。

如今,有了太空3D打印,哈勃望远镜遇到的“眼疾”就可以在太空就地进行“手术”。太空3D打印能将功能各异的零部件直接在外太空完成打印。众所周知,空间航天器的大小主要受限于运载器,利用太空3D打印就能搭建太空零部件制造厂,实现“太空制造”。

3D打印技术在航空航天领域体现出极强的应用价值和发展潜力,不仅缩短了航天产品的生产周期,降低了成本,更进一步提高了产品性能。作为一种全新的生产方式,太空3D打印制造的产品可以胜任一些传统制造工艺难以完成的工作。诸如某个部件一侧需要耐受高温、另一侧需要具备较高强度等“苛刻要求”,3D打印都可以大显身手。

时下人们讲究“轻装出行”,太空飞行更是如此。携带一台3D打印机进入太空,就可以省去携带数以万计零部件的巨大麻烦,只需携带几公斤重的3D打印“墨盒”就足够了。

此外,太空3D打印技术更可大幅度降低太空飞行对地面的依赖程度。相比于半年一次的太空补给,3D打印只需数小时就能生产出需要更换的零部件,将大幅度提升空间站操控的灵活性和维修效率,降低空间站对地面系统的依赖。

目前,人们已经开始设计太空制造系统,将在太空中直接打印出天线、电池板等零部件和工作生活的必需品。美国国家航空航天局喷气推进实验室正在研制标准的太空3D打印工序,旨在通过新技术兼容不同金属原料,制造出更能适应太空应用环境的零部件。未来,太空3D打印机将具备小规模生产各种工具、零部件和日常用品的能力,是载人空间飞行和宇宙考察的标配装备。

将太空垃圾“变废为宝”

为帮助正在太空遨游的航天员正常饮水,人们还曾利用水的表面张力设计了一款零重力水杯,巧妙地解决了太空失重条件下水到处漂浮的问题。然而,这样别出心裁的产品经由地面制造,再搭乘“空天快递”升空无疑成本巨大。

太空3D打印的出现,将在人类太空之旅中发挥重要作用。

美国国家航空航天局曾设想在太空中直接打印出整枚卫星,由“太空制造厂”生产组装后投放到运行轨道。太空3D打印技术还能为人类登上其他行星制造所需的住所和工具,欧洲航天局正着手探索利用3D打印技术建造月球基地,美国国家航空航天局曾专门开展3D打印火星栖息地竞赛活动。

太空3D打印更加神奇之处,是能像魔术师一般“化腐朽为神奇”。一旦太空中制造的产品出现损坏,只需将其融化成原材料就可再次重复利用。美国太空制造公司正在开展可重复使用的太空3D打印材料研究。美国国防部高级研究计划局开展的“凤凰”研究项目,旨在通过拆解老旧卫星来清理空间垃圾,并用老旧卫星的零部件重新组装成一个全新的空间设备。未来,太空3D打印还可利用地球轨道上的报废卫星,或直接到行星上就地取材进行“太空制造”。

太空3D打印不仅能打印各类元器件,还可以打印美食。利用太空3D打印机能将各类可食用原材料打印成丰富多样的营养套餐,航天员也可以在太空体验当“厨师”的感觉。

当然,3D打印真正走向太空,还必须解决一系列技术难题,其中最大的障碍是“失重”。在太空环境下,材料和胶水会“飞起来”,这就需要在打印机结构上进行专门设计。此外,如何解决太空打印产生的废气扩散等问题,尚待进一步研究完善。


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