3D打印的新潛力：星際殖民和開發(fā)宇宙空間

來源：騰訊網

利用3D計算機技術，通過逐層累積材料合成物體的增材制造技術，正日益成為太空設備制造領域的最前沿。科學家認為，3D打印可以顯著加快開發(fā)地球外空間的速度。如何優(yōu)化3D打印機的 “太空制造” ，并提高打印構件的安全性？如何使用新技術為納米衛(wèi)星創(chuàng)建超輕光學系統(tǒng)？來自俄羅斯大學（"5-100"計劃成員）的研究人員介紹了他們的最新進展。

新方法的主要優(yōu)點之一在于一臺3D打印機可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)工廠的大量設備。 2020年11月，《福布斯》雜志將增材制造技術（來自拉丁語additivus-增加）列入值得企業(yè)家關注的五項革命性新技術清單。文章作者指出，增材制造技術將為航空航天產業(yè)帶來巨大的好處，在該領域，產品重量通常是影響運輸成本的最主要因素。

太空3D打印可以顯著加快開發(fā)地球外空間的速度；增材制造技術也正在積極滲透到火箭制造行業(yè)。

2020年5月30日，參加了Crew Dragon航天器和獵鷹9號火箭發(fā)射的宇航員羅伯特·貝肯和道格·赫利的頭盔是使用3D打印技術量身定制的。

SpaceX航空航天公司的負責人埃隆·馬斯克表示，使用3D打印，可以制造耐用的高性能發(fā)動機零件，而花費的時間和資金只是使用傳統(tǒng)制造方法的一小部分。還在2014年，SpaceX就已經制造出首個3D打印構件。

“藍色起源”航空航天公司杰夫·貝佐斯使用增材制造技術打印BE-4發(fā)動機組件。來自美國（相對論空間）和英國（奧貝克斯）的年輕火箭公司也計劃充分利用3D打印機的可能性。

提高3D-構件的安全性

與此同時，3D打印的構件，即使存在最細微的缺陷，對于所創(chuàng)建設備的安全性也至關重要。國立研究型技術大學MISIS（NUST MISIS）的科學家們能夠改善鋁的3D打印技術，使產品的硬度提高了1.5倍。

NUST MISIS的研究人員認為，此類缺陷的主要風險是材料的高孔隙率，其原因之一是原始鋁粉的特性。為了確保打印產品的微觀結構均勻且致密，科學家提出了向鋁粉中添加碳納米纖維的方法，以確保材料的低孔隙率并使其硬度提高1.5 倍。研究結果發(fā)表在《Composites Communications》雜志上。

NUST MISIS的教授亞歷山大·格羅莫夫介紹說："碳納米纖維具有高導熱性，有助于在產品合成過程中，在選擇性激光熔化階段最小化打印層之間的溫度梯度。因此，材料微觀結構的不均勻性幾乎可以完全消除�！�

所使用的碳納米纖維是加工油田伴生氣的副產品。在其催化分解過程中，碳以納米纖維的形式積聚在催化劑分散的金屬顆粒上。科學家們還指出，通常伴生氣在油氣田“放空燃燒”，對環(huán)境造成危害，因此使用這種新方法具有重要的環(huán)保意義。

優(yōu)化“太空制造”

埃隆·馬斯克和其他專家們確信，3D打印可助力未來的太空開發(fā)，例如殖民火星。

要在火星上生存，就需要能夠在那里開始生產，并且最好利用當?shù)氐牟牧稀?3D打印機可被用來建基地，并在那里構建生存環(huán)境。

即使是現(xiàn)在，在國際空間站（ISS）的工作中，獲取材料的問題也仍然很嚴重，下一艘貨運飛船宇航員不得不等幾個月。有時侯重要的小零件損壞或丟失，例如，電觸頭的塑料插頭經常丟失。在這種情況下， 3D打印機在太空打印塑料產品可以解決此問題。 未來，在星際飛行期間，可獲得性問題將變得更加尖銳，對這種打印機的需求必將增加。

2016年，NASA委托Made in Space公司在國際空間站安裝一臺永久的3D打印機，以生產宇航員可能需要的工具、設備和其它任何東西。隨后，一些歐洲、中國和其它的公司也宣布制造類似的機器。

研制3D打印機的研究人員，托木斯克理工大學（TPU）的科學家表示，俄羅斯生產的3D打印機將于2021年進入太空，其優(yōu)勢是一個更先進的模塊化系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)設備升級和維修。因此，當3D打印材料從簡單的塑料轉向超結構或復合材料時，工程師將不必像今天美國同事那樣制造新的打印機，然后將其交付給 ISS使用。

TPU現(xiàn)代生產技術科學和生產實驗室負責人瓦西里·費多羅夫說："現(xiàn)在，3D 打印機的工作布局進入最后階段。對發(fā)送到 ISS 的設備在耐機械、氣候和其它負載方面有嚴格的要求。此外，要確保3D打印機對宇航員絕對安全�，F(xiàn)在，所有這一切都在檢查中，進行了一系列測試和檢驗。同時，對專門為該打印機設置的軟件進行改進�！�

為納米衛(wèi)星創(chuàng)建超輕型光學系統(tǒng)

照片 : 托木斯克工業(yè)大學高技術物理學研究所所 俄羅斯將從2021年開始量產3D打印小型航空發(fā)動機

3D打印的可能性使薩馬拉大學的科學家們能夠為納米衛(wèi)星創(chuàng)建一個獨特的超輕光學系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有衍射光學器件。 研究人員說，這將是世界上第一個帶衍射光學器件的透鏡進入太空。

光學系統(tǒng)的核心是在大學研制出的平面衍射透鏡，它具有獨特的特性。 基于這種透鏡的鏡頭取代了現(xiàn)代遠射鏡頭的透鏡系統(tǒng)，其特性是重量輕（與光學部件一起重量小于100克）和尺寸微小。

該鏡頭具有創(chuàng)新的仿生形狀外殼，采用最佳技術設計，在保持強度特性的同時最大限度地減輕重量。 航天器部件復雜的外部形狀和內部結構是在SLM280HL選擇性激光融合設備上進行3D打印的。

據科學家介紹，為了盡量減輕部件的重量，在其內部結構中進行了拓撲優(yōu)化，其結果是增加了特殊的蜂窩塊。 部件的尺寸為70×80×100毫米，由于使用增材制造技術，其重量比傳統(tǒng)方法制造的類似部件減輕了約40％。

薩馬拉大學發(fā)動機生產技術教研室副教授維塔利·斯梅洛夫介紹說："該透鏡的外殼由AlSi10Mg鋁合金粉末制成。 俄羅斯生產的合金在俄羅斯國內外都享有盛譽。 在航天和航空領域，重量是主要特性，業(yè)內一直都在設法降低該指標"。

科學家們對原始結構進行了多階段拓撲優(yōu)化，獲得并分析了幾種形式。

薩馬拉大學研究員安東·阿加波維奇夫表示："我們與CADFEM CIS拓撲優(yōu)化和增材制造技術領域的專家合作，進行了大量工作，以獲得一種新型結構形式，滿足世界航天工業(yè)公司的現(xiàn)代要求�！�

據科學家介紹說，同類產品，比如立方體衛(wèi)星壁虎成像儀（Gecko Imager）的鏡頭，其價格是2萬3千歐元，而他們正在開發(fā)的光學系統(tǒng)的價格將會低得多。