隨著3D打印技術(shù)快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)航天器零部件“自給自足”有望變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)

從接到設(shè)計(jì)圖紙，到按下“打印”按鈕，一個(gè)扳手很快便制造完成了——你能想象這是航天員在零重力環(huán)境下完成的操作嗎？事實(shí)上，這是這已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了，南極熊獲悉，美國(guó)國(guó)家航空航天局與美國(guó)太空制造公司已簽署合同，聯(lián)合開(kāi)發(fā)太空3D打印系統(tǒng)。在不久前結(jié)束的天津第二屆世界智能大會(huì)上，有研究人員表示，未來(lái)太空3D打印技術(shù)在航天智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大。

轟隆隆的“太空制造廠”
在人類探索太空過(guò)程中，設(shè)備和材料的“補(bǔ)給線問(wèn)題”，一直阻礙著人們飛向更遠(yuǎn)空間。隨著3D打印技術(shù)快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)航天器零部件的“自給自足”正在成為可能。

從2010年開(kāi)始，美國(guó)國(guó)家航空航天局與美國(guó)太空制造公司合作，先后進(jìn)行了數(shù)百次微重力環(huán)境下的試驗(yàn)。為支持3D打印技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)還于2012年8月專門(mén)成立了“國(guó)家增材制造創(chuàng)新聯(lián)盟”。2014年，世界上首臺(tái)太空3D打印機(jī)搭載“龍”飛船抵達(dá)國(guó)際空間站，先后打印出一系列太空專用零部件，揭開(kāi)了人類“太空制造”的序幕。

其實(shí)，開(kāi)一家“太空制造廠”并不復(fù)雜。理念與傳統(tǒng)打印相一致，3D打印就是以模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬和塑料等可黏合材料，通過(guò)逐層打印來(lái)構(gòu)造物體的快速成型技術(shù)。傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)包括分層加工、疊加成型、逐層加熱等工藝流程。

不過(guò)，太空3D打印也不是簡(jiǎn)單的“搭積木”。每一臺(tái)發(fā)射升空的3D打印機(jī)，都有一顆聰慧澎湃的“芯”。航天員通過(guò)天地通信接收地面上傳的零部件數(shù)字化三維模型，經(jīng)過(guò)3D打印機(jī)后期軟件處理后，才能自動(dòng)生成具體控制數(shù)據(jù)和打印操作代碼。因此，只要天地之間不斷“網(wǎng)”，理論上任何工具都可以由地面設(shè)計(jì)好，然后交由3D打印機(jī)完成“太空制造”。

近年來(lái)，太空3D打印技術(shù)得到世界各國(guó)高度重視。2016年3月，美國(guó)國(guó)家航空航天局將升級(jí)版的3D打印機(jī)運(yùn)往國(guó)際空間站，在太空環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了更大體積和更高分辨率的打印作業(yè)；英國(guó)伯明翰大學(xué)研制出一臺(tái)能在零重力下運(yùn)行的金屬3D打印機(jī)；德國(guó)某研究機(jī)構(gòu)也于今年在零重力環(huán)境下“打印”出了金屬工具。

太空遨游的“得力助手”
上個(gè)世紀(jì)末，匯聚人類智慧的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空。由于鏡面制造出現(xiàn)微小誤差，哈勃望遠(yuǎn)鏡直接淪為了“近視眼”。在當(dāng)時(shí)的航天技術(shù)條件下，人們只能再進(jìn)行一次航天發(fā)射，專門(mén)為哈勃望遠(yuǎn)鏡安裝“近視眼鏡”。整個(gè)修復(fù)過(guò)程需要完成地面制造、空地運(yùn)輸和空間裝配等操作，最終耗費(fèi)4年時(shí)間和數(shù)億美元，才使這臺(tái)精密設(shè)備恢復(fù)正常。

如今，有了太空3D打印，哈勃望遠(yuǎn)鏡遇到的“眼疾”就可以在太空就地進(jìn)行“手術(shù)”。太空3D打印能將功能各異的零部件直接在外太空完成打印。眾所周知，空間航天器的大小主要受限于運(yùn)載器，利用太空3D打印就能搭建太空零部件制造廠，實(shí)現(xiàn)“太空制造”。

3D打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域體現(xiàn)出極強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展?jié)摿�，不僅縮短了航天產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，降低了成本，更進(jìn)一步提高了產(chǎn)品性能。作為一種全新的生產(chǎn)方式，太空3D打印制造的產(chǎn)品可以勝任一些傳統(tǒng)制造工藝難以完成的工作。諸如某個(gè)部件一側(cè)需要耐受高溫、另一側(cè)需要具備較高強(qiáng)度等“苛刻要求”，3D打印都可以大顯身手。

時(shí)下人們講究“輕裝出行”，太空飛行更是如此。攜帶一臺(tái)3D打印機(jī)進(jìn)入太空，就可以省去攜帶數(shù)以萬(wàn)計(jì)零部件的巨大麻煩，只需攜帶幾公斤重的3D打印“墨盒”就足夠了。

此外，太空3D打印技術(shù)更可大幅度降低太空飛行對(duì)地面的依賴程度。相比于半年一次的太空補(bǔ)給，3D打印只需數(shù)小時(shí)就能生產(chǎn)出需要更換的零部件，將大幅度提升空間站操控的靈活性和維修效率，降低空間站對(duì)地面系統(tǒng)的依賴。

目前，人們已經(jīng)開(kāi)始設(shè)計(jì)太空制造系統(tǒng)，將在太空中直接打印出天線、電池板等零部件和工作生活的必需品。美國(guó)國(guó)家航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室正在研制標(biāo)準(zhǔn)的太空3D打印工序，旨在通過(guò)新技術(shù)兼容不同金屬原料，制造出更能適應(yīng)太空應(yīng)用環(huán)境的零部件。未來(lái)，太空3D打印機(jī)將具備小規(guī)模生產(chǎn)各種工具、零部件和日常用品的能力，是載人空間飛行和宇宙考察的標(biāo)配裝備。

將太空垃圾“變廢為寶”
為幫助正在太空遨游的航天員正常飲水，人們還曾利用水的表面張力設(shè)計(jì)了一款零重力水杯，巧妙地解決了太空失重條件下水到處漂浮的問(wèn)題。然而，這樣別出心裁的產(chǎn)品經(jīng)由地面制造，再搭乘“空天快遞”升空無(wú)疑成本巨大。

太空3D打印的出現(xiàn)，將在人類太空之旅中發(fā)揮重要作用。

美國(guó)國(guó)家航空航天局曾設(shè)想在太空中直接打印出整枚衛(wèi)星，由“太空制造廠”生產(chǎn)組裝后投放到運(yùn)行軌道。太空3D打印技術(shù)還能為人類登上其他行星制造所需的住所和工具，歐洲航天局正著手探索利用3D打印技術(shù)建造月球基地，美國(guó)國(guó)家航空航天局曾專門(mén)開(kāi)展3D打印火星棲息地競(jìng)賽活動(dòng)。

太空3D打印更加神奇之處，是能像魔術(shù)師一般“化腐朽為神奇”。一旦太空中制造的產(chǎn)品出現(xiàn)損壞，只需將其融化成原材料就可再次重復(fù)利用。美國(guó)太空制造公司正在開(kāi)展可重復(fù)使用的太空3D打印材料研究。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局開(kāi)展的“鳳凰”研究項(xiàng)目，旨在通過(guò)拆解老舊衛(wèi)星來(lái)清理空間垃圾，并用老舊衛(wèi)星的零部件重新組裝成一個(gè)全新的空間設(shè)備。未來(lái)，太空3D打印還可利用地球軌道上的報(bào)廢衛(wèi)星，或直接到行星上就地取材進(jìn)行“太空制造”。

太空3D打印不僅能打印各類元器件，還可以打印美食。利用太空3D打印機(jī)能將各類可食用原材料打印成豐富多樣的營(yíng)養(yǎng)套餐，航天員也可以在太空體驗(yàn)當(dāng)“廚師”的感覺(jué)。

當(dāng)然，3D打印真正走向太空，還必須解決一系列技術(shù)難題，其中最大的障礙是“失重”。在太空環(huán)境下，材料和膠水會(huì)“飛起來(lái)”，這就需要在打印機(jī)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行專門(mén)設(shè)計(jì)。此外，如何解決太空打印產(chǎn)生的廢氣擴(kuò)散等問(wèn)題，尚待進(jìn)一步研究完善。

來(lái)源：解放軍報(bào)