3D打印輕量化月球建筑地板，MX3D開(kāi)啟可持續(xù)太空探索任務(wù)

導(dǎo)讀：2021年9月2日，南極熊獲悉，荷蘭的機(jī)器人金屬3D打印公司MX3D已經(jīng)為歐洲航天局（ESA）的月球定居點(diǎn)原型建造了一種基于新型材料的高效"骨架地板"。

通過(guò)將劃線應(yīng)力圖分析與3D打印相結(jié)合，MX3D公司建造出一個(gè)超輕的鋼結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有光滑的網(wǎng)狀設(shè)計(jì)，質(zhì)量減少到395公斤。據(jù)歐空局工程師Advenit Makaya表示，這種結(jié)構(gòu)的制造成功顯示了MX3D技術(shù)的效率和在月球開(kāi)展建筑作業(yè)的潛力，未來(lái)它還有可能應(yīng)用于雷石結(jié)構(gòu)的建造。

Makaya說(shuō)："這是MX3D的一個(gè)了不起的成就，它進(jìn)一步突出了這種增材制造技術(shù)在越來(lái)越廣泛的空間應(yīng)用中的潛力。"設(shè)計(jì)的靈活性，以及將印刷結(jié)構(gòu)與嵌入式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合的可能性，都值得研究在空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。這種技術(shù)也可以考慮在可持續(xù)的探索任務(wù)中用于基礎(chǔ)設(shè)施的原地建設(shè)，通過(guò)使用從當(dāng)?shù)乜捎玫睦资�中提取的金屬原料�?

△MX3D公司重達(dá)495公斤的不銹鋼3D打印月球地板。照片來(lái)自ESA

輕量化的 "骨骼"設(shè)計(jì)

MX3D的地板是為建筑公司SkidmoreOwings and Merrill（SOM）正在開(kāi)發(fā)的四層歐空局月球棲息地原型而建造的，它經(jīng)過(guò)了拓?fù)鋬?yōu)化，以盡可能地節(jié)省材料。在實(shí)際建造中，該結(jié)構(gòu)是使用MX3D公司專(zhuān)有的WAAM技術(shù)3D打印成六個(gè)垂直部分，然后再焊接成一個(gè)有凝聚力的下部結(jié)構(gòu)。

在三根柱子的支撐下，地板上的一系列面板形成了一個(gè) "網(wǎng)狀"，能夠作為一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)，而不需要填充，同時(shí)其整體設(shè)計(jì)向周邊和中心傾斜，允許這些區(qū)域以較小的厚度進(jìn)行3D打印，但不以內(nèi)聚力或完整性為代價(jià)。

SOM負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的高級(jí)設(shè)計(jì)師DanielInocente解釋說(shuō)："我們研究了制造方面的限制，并利用我們的分析來(lái)插值一個(gè)遵循3D打印機(jī)器角度限制的網(wǎng)絡(luò)模式。截面和厚度也進(jìn)行了分析和區(qū)分，以減少整體質(zhì)量，即在外部/內(nèi)部的邊界處減少厚度。"

這塊308LSi不銹鋼地板花了大約246個(gè)小時(shí)建造方才完成，一旦拼接起來(lái)，它的寬度大約為4.5米。最終，這套建筑結(jié)構(gòu)未能按計(jì)劃作為SOM的 "地球以外的生命 "威尼斯雙年展的一部分。不過(guò)據(jù)MX3D首席執(zhí)行官Gijs van der Velden稱(chēng)，該項(xiàng)目仍然證明了其技術(shù)的輕量化潛力。

van der Velden總結(jié)道："這是一個(gè)完美的項(xiàng)目，MX3D可以利用其在打印拓?fù)鋬?yōu)化的金屬結(jié)構(gòu)方面的經(jīng)驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)材料的最佳使用是MX3D的一個(gè)公司目標(biāo)，因?yàn)榫拖裨谠O(shè)計(jì)太空應(yīng)用時(shí)一樣，MX3D設(shè)計(jì)中每減少一公斤都是對(duì)項(xiàng)目可行性的直接勝利。"

△利用劃定的應(yīng)力圖分析和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，該地板的設(shè)計(jì)相較于以前明顯變輕。圖片來(lái)自歐空局

MX3D的建筑專(zhuān)長(zhǎng)

這款結(jié)構(gòu)的制作是圍繞著Metal XL軟件（MX3D的首個(gè)專(zhuān)門(mén)用于機(jī)器人WAAM的軟件）完成的，以及安裝在ABB機(jī)器上的打印機(jī)，這使得MX3D公司的工藝能夠建造定制的大型建筑。最近，該公司還開(kāi)始用M1 3D打印機(jī)制造自己的系統(tǒng)，這套打印機(jī)最近獲得了225萬(wàn)歐元的現(xiàn)金注入，以資助其進(jìn)一步的研發(fā)和發(fā)布。

自2015年推出以來(lái)，MX3D公司已經(jīng)穩(wěn)步擴(kuò)大了其技術(shù)的應(yīng)用范圍，從2016年的第一輛3D打印"Arc "自行車(chē)，到2019年的鋼橋連接器，據(jù)說(shuō)已經(jīng)引起了建筑公司的極大興趣。

利用其獨(dú)特的WAAM方法，MX3D公司也開(kāi)始建造橋梁，并于2021年6月在阿姆斯特丹的OudezijdsAchterburgwal運(yùn)河公布了其第一個(gè)這樣的12米長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)。通過(guò)與中船重工、倫敦帝國(guó)學(xué)院和阿蘭-圖靈研究所合作，MX3D已經(jīng)能夠?qū)�傳感器納入建設(shè)中，從而能夠收集數(shù)據(jù)以創(chuàng)建數(shù)字化孿生結(jié)構(gòu)。

當(dāng)時(shí)，van der Velden聲稱(chēng)，這座橋只是他們公司技術(shù)大放異彩的小片頭曲。在最近的航空航天項(xiàng)目取得成功之后，歐空局的材料和工藝負(fù)責(zé)人Thomas Rohr認(rèn)識(shí)到了到了MX3D以機(jī)器人為主導(dǎo)的技術(shù)向前發(fā)展的航天潛力。

羅爾總結(jié)說(shuō)："MX3D的能力展示了工程和藝術(shù)的鼓舞人心的一致性，并且是另一個(gè)偉大的例子，說(shuō)明AM已經(jīng)進(jìn)入我們的社會(huì)。對(duì)于空間應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這種技術(shù)不僅提供了性能上的改進(jìn)，而且可以帶來(lái)前所未有的和有利的設(shè)計(jì)解決方案。

地外空間的3D打印

MX3D的3D打印技術(shù)無(wú)疑顯示出越來(lái)越強(qiáng)的可擴(kuò)展性，但它并不是第一個(gè)被用于在地外空間建造房屋的技術(shù)。例如，總部位于德克薩斯州的ICON公司被美國(guó)國(guó)家航空航天局委以重任，負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)一個(gè)外太空建筑系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠只用月球上的石膏來(lái)建造一個(gè)永久性的月球基地。

最近，ICON公司還與美國(guó)國(guó)家航空航天局簽訂了合同，以3D打印一個(gè)火星棲息地，準(zhǔn)確地再現(xiàn)宇航員在訪問(wèn)火星表面時(shí)將經(jīng)歷的條件。從明年開(kāi)始，該結(jié)構(gòu)將容納一個(gè)為期三年的NASA實(shí)地測(cè)試，測(cè)試其營(yíng)養(yǎng)系統(tǒng)的功效，以及長(zhǎng)期暴露在紅色星球上的身體和行為的影響。

同時(shí)，在美國(guó)之外，不倫瑞克技術(shù)大學(xué)和漢諾威激光中心（LZH）的科學(xué)家們首次成功地在零重力條件下3D打印月球巖石。該團(tuán)隊(duì)安裝在漫游車(chē)上的激光器將月塵熔化成月球結(jié)構(gòu)，使飛行人員不必將沉重的貨物從地球運(yùn)到月球表面。