自20世紀(jì)以來，人類一直著迷于探索太空和了解地球之外的事物。美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)和歐洲航天局(ESA)等主要組織一直處于太空探索的前沿。在這一過程中，另一個(gè)重要的參與者是3D打印。由于能夠低成本、快速生產(chǎn)復(fù)雜零件，3D打印技術(shù)越來越受歡迎。它被創(chuàng)造性應(yīng)用于衛(wèi)星、宇航服和火箭部件的制造和生產(chǎn)。事實(shí)上，據(jù)Smar Tech稱，到2026年，私營(yíng)航天行業(yè)增材制造的市場(chǎng)價(jià)值預(yù)計(jì)將達(dá)到21億歐元。這就引出了一個(gè)問題：3D打印如何幫助人類在太空中更進(jìn)一步？ 最初，3D打印主要用于醫(yī)療、汽車和航空航天領(lǐng)域的快速原型制作。然而，隨著3D打印技術(shù)的大眾化，它越來越多用于最終用途零件。金屬增材制造技術(shù)，特別是L-PBF（激光粉末床熔合），可以生產(chǎn)各種具有適應(yīng)太空極端條件性能和耐受性的金屬。其他3D打印技術(shù)，如DED(定向能量沉積)、黏結(jié)劑噴射和擠壓技術(shù)，也被用于制造航空航天部件。 Relativity Space 為航空航天工業(yè)開發(fā) 3D 打印機(jī)

航空航天領(lǐng)域的3D技術(shù)

L-PBF（激光粉末床熔合）在航空航天領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛。這一過程涉及使用激光能量將金屬粉末一層一層熔合在一起。它特別適用于小型、復(fù)雜、精細(xì)和定制零件的生產(chǎn)。航空航天制造也可以從DED(定向能量沉積)中受益，該技術(shù)涉及用沉積金屬絲或粉末修復(fù)、涂覆或生產(chǎn)定制金屬或陶瓷零件。

相比之下，黏結(jié)劑噴射盡管在生產(chǎn)速度和成本方面具有優(yōu)勢(shì)，但不適合生產(chǎn)機(jī)械性能高的零件。這是因?yàn)樗枰筇幚砑庸滩襟E，從而增加了最終產(chǎn)品的制造時(shí)間。擠壓技術(shù)在太空環(huán)境中也很有效。盡管這種3D打印技術(shù)還不太普遍，但通過使用PEEK（聚醚醚酮）等高性能塑料替代一些金屬部件，它可能成為太空探索的寶貴資產(chǎn)。

激光粉末床融合是航空航天 3D 打印中廣泛使用的工藝

太空材料的潛力

航空航天業(yè)一直在利用3D打印來探索新材料并提出可能改變市場(chǎng)的創(chuàng)新替代產(chǎn)品。月球風(fēng)化層——一種覆蓋在月球表面的塵埃，可能很快會(huì)成為新的焦點(diǎn)。歐洲航天局的高級(jí)制造工程師Advenit Makaya將月球風(fēng)化層描述為類似于混凝土，主要由硅和鐵、鎂、鋁等其他化學(xué)元素以及氧氣組成。通過與Lithoz合作，歐洲航天局使用模擬真實(shí)月球塵埃特性的月球風(fēng)化層模擬物生產(chǎn)了螺釘和齒輪等小型功能部件。

利用月球風(fēng)化層制造的大多數(shù)工藝都需要熱量，這使得它與SLS（選擇性激光燒結(jié)技術(shù)）和使用粉末粘合技術(shù)的打印解決方案兼容。歐洲航天局還在研究D-Shape技術(shù)，目標(biāo)是將氯化鎂與材料混合，通過與模擬物中存在的氧化鎂相結(jié)合來制造固體部件。這種月球材料的顯著優(yōu)勢(shì)之一是其更精細(xì)的打印分辨率，使其能夠生產(chǎn)最高精度的零件。這一特性可能使之成為擴(kuò)大應(yīng)用范圍和制造適合未來月球基地部件的重要資產(chǎn)。

3D打印在航空航天中的不同應(yīng)用

增材制造具有廣泛的應(yīng)用，包括小型和大型部件的生產(chǎn)。3D打印技術(shù)可用于制造大型部件，如火箭坦克和螺旋槳葉片。美國(guó)相對(duì)論空間公司通過生產(chǎn)“人族1號(hào)”（Terran1）已經(jīng)成功證明了這一點(diǎn)。這是一種幾乎完全是3D打印的火箭，它于2023年3月23日進(jìn)行首次發(fā)射，展示了增材制造技術(shù)的效率和可靠性。

擠壓式3D打印技術(shù)還允許使用PEEK等高性能材料來生產(chǎn)零件。由這種熱塑性塑料制成的部件已經(jīng)在太空中進(jìn)行了測(cè)試，并作為阿聯(lián)酋登月任務(wù)的一部分安裝在拉希德號(hào)月球車上。該測(cè)試的目的是評(píng)估PEEK對(duì)月球極端條件的耐受性。如果成功，PEEK可能會(huì)在金屬部件破損或材料稀缺的情況下取代它們。此外，PEEK的輕質(zhì)特性在太空探索中可能具有價(jià)值。

3D 打印使得為航空航天業(yè)制造許多零件成為可能

3D打印在航空航天領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)

3D打印是一項(xiàng)極具吸引力的技術(shù)，與傳統(tǒng)構(gòu)造技術(shù)相比具有優(yōu)勢(shì)，特別是在零件的最終外觀方面。奧地利3D打印機(jī)制造商Lithoz首席執(zhí)行官Johannes Homa表示，“這項(xiàng)技術(shù)使零件變得更輕。”由于設(shè)計(jì)自由，印刷產(chǎn)品效率更高，需要的資源更少。這對(duì)零件生產(chǎn)的環(huán)境影響產(chǎn)生積極影響。相對(duì)論空間公司已經(jīng)證明增材制造可以明顯減少制造航天器所需的組件數(shù)量，如“人族1號(hào)”火箭節(jié)省了100個(gè)零件。此外，該技術(shù)在生產(chǎn)速度方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，火箭在不到60天的時(shí)間內(nèi)完成。相比之下，使用傳統(tǒng)方法建造火箭可能需要數(shù)年時(shí)間。

在資源管理方面，3D打印可以節(jié)省材料，在某些情況下還可以回收廢物。最后，增材制造可能成為減輕火箭起飛重量的寶貴資產(chǎn)。目標(biāo)是最大限度地利用當(dāng)?shù)夭牧希顼L(fēng)化層，并最大限度地減少航天器中材料的運(yùn)輸。這樣就可以只攜帶3D打印機(jī)，在航行完成后現(xiàn)場(chǎng)創(chuàng)建所有東西。

Made in Space 已將其一臺(tái)打印機(jī)送入太空進(jìn)行測(cè)試

太空3D打印的局限性

盡管3D打印具有許多優(yōu)點(diǎn)，但該技術(shù)仍然相對(duì)較新，并且有其局限性，Advenit Makaya表示，“航空航天領(lǐng)域增材制造的主要問題之一是過程的控制和驗(yàn)證?！敝圃焐炭梢赃M(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，在驗(yàn)證之前對(duì)每個(gè)零件進(jìn)行強(qiáng)度、可靠性和微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試，這一過程稱為無損檢測(cè)(NDI)。然而，這可能既耗時(shí)又昂貴，因此最終目標(biāo)是減少對(duì)這些測(cè)試的需求。NASA最近成立了一個(gè)中心來解決這個(gè)問題，重點(diǎn)關(guān)注增材制造金屬零件的快速認(rèn)證。該中心旨在使用數(shù)字孿生改進(jìn)產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)模型，這將幫助工程師更好地了解零件的功能和局限性，包括它們?cè)跀嗔阎翱梢猿惺芏嗌賶毫?。通過這樣做，該中心預(yù)計(jì)將有助于促進(jìn)3D打印在航空航天業(yè)的應(yīng)用，使其與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

另一方面，如果制造是在太空中完成的，驗(yàn)證過程就會(huì)有所不同。ESA的Advenit Makaya解釋道：“有一種技術(shù)可以在打印零件時(shí)對(duì)其進(jìn)行分析。”此方法有助于確定哪些印刷產(chǎn)品適合，哪些印刷產(chǎn)品不可用。此外，還有一種用于太空3D打印機(jī)的自我校正系統(tǒng)，該系統(tǒng)正在金屬機(jī)器上進(jìn)行測(cè)試。該機(jī)器可以識(shí)別制造過程中的潛在錯(cuò)誤，并自動(dòng)改變其參數(shù)以糾正零件中的任何缺陷。這兩個(gè)系統(tǒng)有望提高太空印刷產(chǎn)品的可靠性。

這些零件經(jīng)過了徹底的可靠性和強(qiáng)度測(cè)試

生活在太空？

隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)步，我們?cè)诘厍蛏峡吹搅嗽S多使用該技術(shù)建造房屋的成功項(xiàng)目。這讓我們想知道，在不久或遙遠(yuǎn)的將來，這個(gè)過程是否可以用于在太空中建造可居住的結(jié)構(gòu)。雖然目前在太空生活并不現(xiàn)實(shí)，但建造房屋，特別是在月球上，對(duì)于執(zhí)行太空任務(wù)的宇航員來說將是有益的。歐洲航天局（ESA）的目標(biāo)是利用月球風(fēng)化層在月球上建造圓頂，這些風(fēng)化層可用于建造墻壁或磚塊以保護(hù)宇航員免受輻射。歐空局的Advenit Makaya表示，月球風(fēng)化層由約60%的金屬和40%的氧氣組成，是宇航員生存的重要材料，因?yàn)槿绻麖脑摬牧现刑崛。梢蕴峁┤≈槐M的氧氣來源。

NASA已向ICON撥款5720萬(wàn)美元，用于開發(fā)用于月球表面建造的3D打印系統(tǒng)，并且還與該公司合作創(chuàng)建一個(gè)火星家園，名為Mars Dune Alpha。目標(biāo)是測(cè)試火星上的生活條件，讓志愿者在家中生活一年，以模擬這顆紅色星球上的條件。這些努力代表了直接在月球和火星上建造3D打印結(jié)構(gòu)的重要一步，這最終可能為人類殖民太空鋪平道路。

在遙遠(yuǎn)的未來，這些房屋可以在太空中孕育生命

審核編輯：黃飛