綜述：3D打印能促進(jìn)太空探索嗎？

來源：3dnatives



自 20 世紀(jì)以來，人類一直著迷于探索太空和了解地球以外的事物。本文主要介紹NASA（美國航天局）和ESA（歐空局）在太空探索方面的一些工作。這場征服的一個重要參與者是 3D 打印。由于能夠以低成本快速生產(chǎn)復(fù)雜零件，這種技術(shù)在航天領(lǐng)域越來越受歡迎。它可以用來制造例如衛(wèi)星、宇航服和火箭部件等。事實上，據(jù) SmarTech 稱，到 2026 年，私人航天行業(yè)增材制造的市場價值預(yù)計將達(dá)到21 億歐元 。這就引出了一個問題：3D 打印如何幫助人類在太空中更加突出？

最初，3D 打印主要用于醫(yī)療、汽車和航空航天領(lǐng)域的快速成型。然而，隨著技術(shù)的普及，它越來越多地用于最終用途部件。金屬增材制造技術(shù)，特別是激光粉末床熔合(L-PBF)，已允許生產(chǎn)各種具有適用于極端太空條件的特性和耐受性的金屬零件。其他 3D 打印技術(shù)，例如定向能量沉積(DED)、粘合劑噴射和擠出工藝, 也用于制造航空航天部件。近年來，出現(xiàn)了新的商業(yè)模式，Made in Space 和Relativity Space等公司使用 3D 打印技術(shù)設(shè)計制造航空航天部件。


△Relativity Space 為航空航天業(yè)開發(fā) 3D 打印機(jī)（圖片來源：Relativity Space）

航空航天中的 3D 技術(shù)

讓我們更仔細(xì)地研究一下航空航天工業(yè)中使用的各種 3D 打印技術(shù)。首先，應(yīng)該指出金屬增材制造尤其是L-PBF，是該領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的。這個工藝使用激光能源將金屬粉末逐層熔合在一起。它特別適用于生產(chǎn)小型、復(fù)雜、精細(xì)和定制的零件。航空航天制造商也可以從 DED 中受益，它沉積金屬線或粉末，主要用于修復(fù)、涂層或生產(chǎn)定制的金屬或陶瓷部件。

相比之下，粘合劑噴射盡管在生產(chǎn)速度和低成本方面具有優(yōu)勢，但不適合生產(chǎn)具有高機(jī)械性能的零件。這是因為它需要后處理強(qiáng)化步驟，這會增加最終產(chǎn)品的制造時間。擠出技術(shù)在太空環(huán)境中也很有效，但并非所有的聚合物都適合在太空中使用，PEEK 等高性能塑料憑借其強(qiáng)度可以替代部分金屬部件。然而，這種 3D 打印工藝仍然不太普及，但它可以通過使用新材料成為太空探索的寶貴資產(chǎn)。



△粉末床上的激光融合是航空航天 3D 打印中廣泛使用的工藝（圖片來源：DMG Mori）

空間材料的潛力

航空航天業(yè)一直在利用 3D 打印探索新材料，并提出可能改變市場的創(chuàng)新替代品。雖然鈦、鋁和鉻鎳鐵合金等金屬一直是主要關(guān)注點(diǎn)，但有一種新材料可能很快就會成為焦點(diǎn)：月球風(fēng)化層。月球風(fēng)化層是一種覆蓋月球的塵埃，歐空局已經(jīng)展示了將其與 3D 打印相結(jié)合的好處。歐洲航天局高級制造工程師 Advenit Makaya 將月球風(fēng)化層描述為類似于混凝土，主要由硅和其他化學(xué)元素（如鐵、鎂和鋁）以及氧氣組成。

月球風(fēng)化層制造所涉及的大部分過程都使用熱量，使其與 SLS 等技術(shù)和使用粉末粘合工藝的打印解決方案兼容。歐空局還在使用 D-Shape 技術(shù)，目標(biāo)是將氯化鎂與材料混合，通過將其與模擬物中存在的氧化鎂結(jié)合來制造固體部件。這種月球材料的顯著優(yōu)勢之一是具有更精細(xì)的打印分辨率，能夠生產(chǎn)出精度更高的零件。這一特性可能是擴(kuò)大適用于未來月球基地的應(yīng)用和制造組件范圍的主要資產(chǎn)。


△月球風(fēng)化層隨處可見（圖片來源：TriasRnD）

還有火星風(fēng)化層，指的是在火星上發(fā)現(xiàn)的表面物質(zhì)。目前，國際航天機(jī)構(gòu)無法回收這種物質(zhì)，但這并沒有阻止科學(xué)家研究其在某些航空航天項目中的潛力。研究人員正在使用這種材料的模擬物并將其與鈦合金結(jié)合，以期制造工具或火箭零件。初步結(jié)果表明，這種材料將提供更高的強(qiáng)度并保護(hù)設(shè)備免受生銹和輻射損壞。盡管這兩種材料具有相似的特性，但月球風(fēng)化層仍然是最受考驗的材料。另一個優(yōu)勢是這些材料可以直接在現(xiàn)場制造，無需從地球運(yùn)輸原材料。此外，風(fēng)化層是取之不盡、用之不竭的材料來源。

3D打印在航天領(lǐng)域的不同應(yīng)用

3D打印技術(shù)的應(yīng)用可以根據(jù)所使用的具體工藝而有所不同。例如，激光熔化粉末床工藝可用于制造精細(xì)的短期零件，例如工具系統(tǒng)或空間備件。一家名為 Launcher 的加利福尼亞初創(chuàng)公司使用 Velo3D 的藍(lán)寶石金屬 3D 打印技術(shù)來增強(qiáng)其E-2 液體火箭發(fā)動機(jī)。制造商的工藝被用來制造感應(yīng)渦輪，它在加速和驅(qū)動 LOX（液氧）進(jìn)入燃燒室方面起著關(guān)鍵作用。渦輪機(jī)和感應(yīng)器分別使用 3D 打印技術(shù)打印出來，然后進(jìn)行組裝。這一創(chuàng)新部件為火箭提供更大的流體流量和更大的推力，使其成為發(fā)動機(jī)的重要組成部分。



△Velo3D 為使用 PBF 技術(shù)制造 E-2 液體發(fā)動機(jī)做出了貢獻(xiàn)（圖片來源：Launcher）

增材制造具有廣泛的應(yīng)用，包括小型和大型結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)。例如，Relativity Space 的 3D 打印技術(shù)可用于制造大型零件，例如火箭油箱和螺旋槳葉片。Relativity Space 已經(jīng)通過生產(chǎn) Terran 1 成功地證明了這一點(diǎn)，Terran 1 是一種幾乎完全由 3D 打印而成的火箭，包括一個幾米大的燃料箱。

基于擠出的 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)行了測試，并作為阿聯(lián)酋月球任務(wù)的一部分被放置在拉希德漫游車上。測試的目的是評估 PEEK 對月球極端條件的耐受性。如果成功，PEEK 有可能在金屬部件斷裂或材料稀缺的情況下取代金屬部件。此外，PEEK 的輕質(zhì)特性在太空探索中可能具有重要價值。


△3D 打印可以為航空航天業(yè)制造許多零件

3D 打印在航空航天領(lǐng)域的優(yōu)勢

3D 打印是一項極具吸引力的技術(shù)，與傳統(tǒng)構(gòu)造技術(shù)相比具有優(yōu)勢，尤其是在零件的最終外觀方面。奧地利 3D 打印機(jī)制造商 Lithoz 的首席執(zhí)行官 Johannes Homa 表示，“這項技術(shù)使零件更輕�！� 由于設(shè)計自由，印刷產(chǎn)品效率更高，需要的資源更少。這對零件生產(chǎn)的環(huán)境影響產(chǎn)生積極影響。Relativity Space 已經(jīng)證明，增材制造可以顯著減少制造航天器所需的組件數(shù)量。以Terran 1 火箭為例，節(jié)省了 100 個零件。此外，這項技術(shù)在生產(chǎn)速度方面具有顯著優(yōu)勢，火箭在不到 60 天內(nèi)完成。相比之下，使用傳統(tǒng)方法制造火箭可能需要數(shù)年時間。

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料。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�，例如風(fēng)化層，并盡量減少航天器中材料的運(yùn)輸。這使得僅攜帶 3D 打印機(jī)成為可能，它可以在旅行結(jié)束后在現(xiàn)場創(chuàng)建所有內(nèi)容。


△Made in Space 已經(jīng)將其中一臺打印機(jī)送入太空進(jìn)行測試（圖片來源：Made in Space）

太空 3D 打印的局限性

盡管 3D 打印具有許多優(yōu)勢，但該技術(shù)仍然相對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流程的控制和驗證�！敝圃焐炭梢赃M(jìn)入實驗室，在驗證之前可以對每個零件的強(qiáng)度、可靠性和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試，這一過程稱為無損檢測 (NDI)。然而，這可能既耗時又昂貴，因此最終目標(biāo)是減少對這些測試的需求。NASA 最近成立了一個中心來解決這個問題，專注于對增材制造金屬部件的快速認(rèn)證。中心使用數(shù)字孿生改進(jìn)產(chǎn)品的計算機(jī)模型，這將幫助工程師更好地了解零件的性能和局限性，包括它們在斷裂前可以承受多大的壓力。通過這樣做，中心有望幫助促進(jìn) 3D 打印在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用，使其能夠更有效地與傳統(tǒng)制造技術(shù)競爭。


△這些部件經(jīng)過了全面的可靠性和強(qiáng)度測試（圖片來源：Creaform）

另一方面，如果制造是在太空中完成的，驗證過程就不同了。ESA 的 Advenit Makaya 解釋說：“有一種技術(shù)包括在零件打印時對其進(jìn)行分析。” 此方法有助于確定哪些打印產(chǎn)品適用，哪些不可用。此外，還有一個用于太空的 3D 打印機(jī)的自我校正系統(tǒng)，正在金屬機(jī)器上進(jìn)行測試。機(jī)器可以識別制造過程中的潛在錯誤，并自動更改其參數(shù)以糾正零件中的任何缺陷。這兩個系統(tǒng)有望提高打印產(chǎn)品在太空中的可靠性。

為驗證 3D 打印解決方案，NASA 和 ESA 制定了標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)包括要對零件執(zhí)行以確定其可靠性的一系列測試。它們考慮了粉末床融合技術(shù)，并正在針對其他工藝進(jìn)行更新。然而，材料行業(yè)的許多主要參與者，如 Arkema、BASF、Dupont 和 Sabic，也提供這種可追溯性。

生活在太空？

隨著 3D 打印技術(shù)的進(jìn)步，我們在地球上看到了許多成功的項目，包括使用這項技術(shù)建造房屋。它讓我們知道，未來這個工藝是否可以用來建造太空中的可居住結(jié)構(gòu)。雖然目前居住在太空中不切實際，但建造房屋，尤其是在月球上建造房屋，對執(zhí)行太空任務(wù)的宇航員來說是有益的。歐洲航天局 (ESA) 的目標(biāo)是使用月球風(fēng)化層在月球上建造圓頂，可用于建造墻壁或磚塊以保護(hù)宇航員免受輻射。根據(jù) ESA 的 Advenit Makaya 的說法，月球風(fēng)化層由大約 60% 的金屬和 40% 的氧氣組成，是宇航員生存必不可少的材料，因為如果從這種材料中提取，它可以提供取之不盡的氧氣來源。

NASA 已向ICON 撥款 5720 萬美元，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)建一個名為Mars Dune Alpha的火星之家。目標(biāo)是測試火星上的生活條件，讓志愿者在家里生活一年，以模擬紅色星球上的條件。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)的重要步驟，這最終可能為人類太空殖民鋪平道路。


△在遙遠(yuǎn)的未來，這些房子可以讓生命在太空中生存（圖片來源：ICON）

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