新太空經(jīng)濟(jì)中的增材制造：當(dāng)前成就和未來(lái)前景！

來(lái)源 : 增材在線


近年來(lái)，太空探索領(lǐng)域發(fā)生了變革，新太空經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展。這種演變不僅重新定義了現(xiàn)有的太空基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù)，而且使太空訪問(wèn)民主化，加速了探索工作。這種演變的核心是增材制造(AM)，這是一項(xiàng)突破性技術(shù)，從根本上改變了發(fā)射器和太空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)格局。增材制造不僅提高了現(xiàn)有太空任務(wù)的效率，還為太空探索和在地球以外建立可持續(xù)人類住區(qū)開辟了新途徑。

2023年11月17日，歐洲空間研究和技術(shù)中心與米蘭理工大學(xué)學(xué)者合作在《Progress in Aerospace Sciences》（中科院1區(qū)，Top，影響因子9.6）發(fā)表最新綜述文章“Additive manufacturing in the new space economy: Current achievements and future perspectives”，對(duì)推動(dòng)增材制造在關(guān)鍵空間領(lǐng)域采用的工業(yè)需求進(jìn)行了全面且最新的探索，深入研究了現(xiàn)有應(yīng)用和未知領(lǐng)域，探索創(chuàng)新進(jìn)步，同時(shí)強(qiáng)調(diào)行業(yè)差距和障礙。在增材制造技術(shù)日漸成熟、增材制造組件在太空任務(wù)中逐漸應(yīng)用以及與主要太空市場(chǎng)趨勢(shì)相一致的研究和投資激增的背景下，該綜述旨在為航空航天和制造界提供當(dāng)前和未來(lái)的全景圖，以及在快速擴(kuò)張的新太空經(jīng)濟(jì)中增材制造的未來(lái)機(jī)遇。此外，它揭示了該領(lǐng)域的深遠(yuǎn)影響和勢(shì)頭，同時(shí)審視需要共同關(guān)注的重大挑戰(zhàn)。

圖1. 增材制造可以成為新太空經(jīng)濟(jì)主要領(lǐng)域的關(guān)鍵賦能技術(shù)。

圖2. 用于空間應(yīng)用的通過(guò)金屬增材制造生產(chǎn)的拓?fù)鋬?yōu)化的鋁合金和鈦合金部件示例：a) 韓國(guó)通信衛(wèi)星Koreasat-5A 和Koreasat-7 的鋁制支架，b) 用于納米衛(wèi)星的鋁制光學(xué)平臺(tái)，c) ) Sentinel-1 衛(wèi)星的鋁合金天線支架，d) Scalmalloy® 機(jī)構(gòu)支架演示器，e) SpaceIL 的 GLPX 登月航天器的發(fā)動(dòng)機(jī)支架支架。

圖 3. 用于空間演示器和應(yīng)用的增材制造金屬部件示例，利用晶格結(jié)構(gòu)帶來(lái)的各種優(yōu)勢(shì)：a) 太陽(yáng)軌道器太陽(yáng)傳感器支架演示器；b) 用于環(huán)境控制和生命支持系統(tǒng)（ECLSS）的分子篩加熱板；c) 低溫?zé)峤粨Q器-注射器-冷凝器演示器；d) 大型（134 × 28 × 500 mm）金屬晶格結(jié)構(gòu)演示器。

未來(lái)挑戰(zhàn)

雖然主流研究和工業(yè)發(fā)展都集中在增材制造方法上，以滿足新太空經(jīng)濟(jì)計(jì)劃的宏偉目標(biāo)和相關(guān)挑戰(zhàn)。然而，有幾個(gè)與增材制造相關(guān)的領(lǐng)域尚未得到充分探索——或者至少比其他工業(yè)應(yīng)用探索得少——需要解決和進(jìn)一步發(fā)展，以加強(qiáng)增材制造在戰(zhàn)略太空領(lǐng)域的作用。例如，增材制造僅代表相當(dāng)復(fù)雜的工藝流程中的一個(gè)步驟，包括粉末去除、支撐去除、熱處理、機(jī)加工、表面精加工等。文獻(xiàn)中越來(lái)越多的注意力集中在后處理操作和它們不僅對(duì)生產(chǎn)鏈的整體成本和可持續(xù)性產(chǎn)生影響，而且對(duì)制造零件的最終質(zhì)量也產(chǎn)生影響。在某些情況下，后處理操作可能會(huì)修復(fù)缺陷，它們也可能會(huì)引入額外的缺陷和不合格項(xiàng)。促進(jìn)增材制造在太空應(yīng)用中更成功采用的一個(gè)重要方面是從“增材制造設(shè)計(jì)”轉(zhuǎn)向“增材制造和后處理設(shè)計(jì)”概念和解決方案，旨在優(yōu)化增材制造零件的最終質(zhì)量和性能，同時(shí)考慮自設(shè)計(jì)階段以來(lái)的后處理階段。多位作者都指出了這一需求，其中一些人還提出了在單一設(shè)計(jì)框架中處理增材制造和后處理的方法。然而，這種統(tǒng)一框架在工業(yè)界的實(shí)際實(shí)施仍然相當(dāng)有限。事實(shí)上，構(gòu)建設(shè)計(jì)軟件工具在為設(shè)計(jì)師和工藝工程師提供涵蓋整個(gè)生產(chǎn)鏈的集成和整體方法方面仍然不完全有效。此外，設(shè)計(jì)指南和構(gòu)建優(yōu)化方法尚未完全成熟，特別是對(duì)于工業(yè)開發(fā)程度較低的工藝，因此最佳實(shí)踐仍然是研究和持續(xù)改進(jìn)的對(duì)象。由整體視角驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)選擇的簡(jiǎn)單示例包括用于去除粉末的額外孔、用于加工關(guān)鍵特征的額外庫(kù)存材料、用于基準(zhǔn)的平坦表面的集成以及用于更好的位置公差和軸向定位的附加特征，但還有更多機(jī)會(huì)尚未得到充分探索。增材制造方法在所有空間領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用在很大程度上取決于設(shè)置一個(gè)包含所有必要步驟的集成良好且高效的工藝流程的能力，這在涉及大批量生產(chǎn)的應(yīng)用中尤其重要，例如涉及巨型衛(wèi)星的部署。

就金屬增材制造而言，最新技術(shù)主要涉及兩類工藝，即用于需要高尺寸精度并呈現(xiàn)復(fù)雜幾何特征的中小型零件的PBF，以及應(yīng)用于大型零件的DED或混合制造。未來(lái)的研究預(yù)計(jì)將擴(kuò)展到其他金屬增材制造技術(shù)，例如粘合劑噴射、FFF（fused filament fabrication，熔絲制造）、冷噴涂和基于攪拌摩擦的增材制造技術(shù)，盡管它們具有顯著的潛力，但目前在空間上的成熟度有限。粘合劑噴射對(duì)于復(fù)雜零件的批量生產(chǎn)以及納米、微米和小型衛(wèi)星領(lǐng)域的小型化組件的制造特別有吸引力。

金屬FFF雖然需要粘合劑和粘合劑噴射等后燒結(jié)，但具有避免使用粉末的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于太空應(yīng)用，這在部件使用壽命期間的清潔度和避免交叉污染風(fēng)險(xiǎn)方面產(chǎn)生了相關(guān)優(yōu)勢(shì)，也為中小型部件提供了更低成本的解決方案。在新穎的加工能力中，4D打印也開始引起航天公司的興趣。4D打印是指智能材料的增材制造生產(chǎn)，這種材料可以以預(yù)先編程的方式響應(yīng)外部刺激而發(fā)生變化，其中第四維指的是時(shí)間。在太空領(lǐng)域，4D打印可用于生產(chǎn)具有各種有吸引力的特性的金屬太空織物，包括反射性、被動(dòng)熱管理和可折疊性。這種織物與其他形狀記憶材料一起可用于可展開結(jié)構(gòu)，如太陽(yáng)能電池陣列、天線和太陽(yáng)帆，甚至用于新型宇航服。4D打印未來(lái)發(fā)展的其他前沿涉及生產(chǎn)在需要時(shí)改變材料吸收率或發(fā)射率的空間結(jié)構(gòu)的可能性，或者地球軌道上的航天器的自我修復(fù)結(jié)構(gòu)面板，以保護(hù)它們免受空間碎片和微流星體的影響。

一般來(lái)說(shuō)，大多數(shù)整合的增材制造工藝和材料都無(wú)法完全解決新太空經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)的苛刻要求和新挑戰(zhàn)。未來(lái)的研究工作預(yù)計(jì)將提高新技術(shù)和新合金的成熟度，以支持未來(lái)的空間基礎(chǔ)設(shè)施和空間探索計(jì)劃。在多材料和功能分級(jí)零件以及用于太空推進(jìn)的新型貴金屬合金的框架中已經(jīng)取得了重要成果，但進(jìn)一步的材料和工藝開發(fā)仍處于早期階段。

最后，所有制造的零件必須符合嚴(yán)格的資格和認(rèn)證要求，特別是通過(guò)增材制造生產(chǎn)的關(guān)鍵任務(wù)零件。傳統(tǒng)上，航天工業(yè)嚴(yán)重依賴結(jié)合多種技術(shù)和尖端方法的擴(kuò)展NDE檢查。新太空經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇迫使所有主要機(jī)構(gòu)和公司重新考慮其零件資格和工藝驗(yàn)證程序，迫使他們?cè)跈z查和驗(yàn)收測(cè)試的時(shí)間和成本方面尋找更有效的解決方案。與原位和在線測(cè)量相關(guān)的持續(xù)改進(jìn)和發(fā)展可能會(huì)提供一個(gè)有希望的機(jī)會(huì)。事實(shí)上，增材制造工藝的分層范式允許在零件生產(chǎn)時(shí)測(cè)量每層中的多個(gè)感興趣的量。這意味著深入理解零件的熱歷史并表征整個(gè)過(guò)程中過(guò)程行為的巨大潛力。收集到的數(shù)據(jù)可用于預(yù)測(cè)缺陷和不穩(wěn)定工藝條件的檢測(cè)，并為難以或不可能通過(guò)NDE檢查的幾何特征提供計(jì)量數(shù)據(jù)。大多數(shù)金屬增材制造系統(tǒng)開發(fā)商都在其機(jī)器中集成了各種傳感器，用于在線和原位數(shù)據(jù)收集，在少數(shù)情況下，還可以使用自動(dòng)異常檢測(cè)方法。不斷加大的研究力度致力于提高理解大量現(xiàn)場(chǎng)收集數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)嵌入式實(shí)時(shí)智能監(jiān)控和計(jì)量功能的能力。

相反，“主動(dòng)”方法不僅限于檢測(cè)缺陷或不穩(wěn)定的過(guò)程狀態(tài)，而且還可以根據(jù)監(jiān)測(cè)的現(xiàn)象調(diào)整過(guò)程參數(shù)。為了生產(chǎn)太空零件，目前只有符合現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的被動(dòng)方法才可以接受。這些方法的認(rèn)證應(yīng)“依賴于對(duì)測(cè)量現(xiàn)象的物理基礎(chǔ)的透徹理解、測(cè)量現(xiàn)象與定義的缺陷過(guò)程狀態(tài)的經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的因果關(guān)系，以及缺陷過(guò)程狀態(tài)檢測(cè)的經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的可靠性水平。如果上述方式合格，則可以使用現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)補(bǔ)充無(wú)損評(píng)估方法”。隨著增材制造系統(tǒng)的嵌入式智能和自適應(yīng)控制算法預(yù)計(jì)將變得越來(lái)越魯棒，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和閉環(huán)控制技術(shù)的結(jié)合未來(lái)可能會(huì)發(fā)展。前饋和反饋控制方法可以在不同層面上結(jié)合起來(lái)，以提高制造零件的質(zhì)量，并在很大程度上避免缺陷的出現(xiàn)。在線缺陷校正代表了實(shí)現(xiàn)零缺陷和一次成功的增材制造功能的另一種方法。所有這些潛力都已在受增材制造技術(shù)影響的所有工業(yè)部門進(jìn)行了廣泛研究，預(yù)計(jì)它們也將在航天領(lǐng)域智能增材制造能力的發(fā)展中發(fā)揮重要作用。

所有上述挑戰(zhàn)和機(jī)遇都適用于在地球上生產(chǎn)空間部件。太空和地球上的增材制造代表了在太空中建立未來(lái)人類住區(qū)的最雄心勃勃和最有遠(yuǎn)見(jiàn)的計(jì)劃，開啟了人類歷史上的新紀(jì)元。在增材制造為未來(lái)太空殖民和利用計(jì)劃做出貢獻(xiàn)的多種方式中，3D生物打印代表了一項(xiàng)新技術(shù)前沿。

3D生物打印是一種增材制造技術(shù)，其中細(xì)胞和生物材料以逐層方式同時(shí)沉積，以生成具有預(yù)先設(shè)計(jì)的形狀和尺寸的生物活性3D組織。不同的工藝適合這一目標(biāo)，包括基于擠出、激光輔助、噴墨、立體光刻和雙光子聚合方法。太空探索特別感興趣的3D生物打印技術(shù)的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是再生醫(yī)學(xué)和組織工程，它允許利用組織重建和再生來(lái)開發(fā)功能性生物組織替代品。3D生物打印已用于多種組織的生成和移植，包括多層皮膚、骨骼、血管移植物、氣管夾板、心臟組織和軟骨結(jié)構(gòu)。然而，幾個(gè)重大挑戰(zhàn)仍然限制了生物打印全功能復(fù)雜組織和器官的能力。這些挑戰(zhàn)包括實(shí)現(xiàn)血管化和細(xì)胞穩(wěn)定性的困難、缺乏多材料打印解決方案以及分辨率、細(xì)胞粘度和數(shù)量、生產(chǎn)時(shí)間和相關(guān)成本方面的限制。

各個(gè)研究小組和航天機(jī)構(gòu)正在探索3D生物打印方法，作為長(zhǎng)期和遠(yuǎn)距離人類探索任務(wù)的關(guān)鍵支持技術(shù)。國(guó)際空間站上的醫(yī)療突發(fā)事件目前被視為急救干預(yù)措施。預(yù)計(jì)船上不會(huì)進(jìn)行手術(shù)，但患者必須穩(wěn)定下來(lái)才能緊急返回地球。類似的程序也適用于月球醫(yī)療問(wèn)題的管理，緊急重返地球可以在三到四天內(nèi)完成。對(duì)于距離地球較遠(yuǎn)的任務(wù)，例如未來(lái)的載人火星任務(wù)，應(yīng)設(shè)想一種不同的方法。在這些情況下，再生醫(yī)學(xué)是唯一可行的選擇。這促使越來(lái)越多的人對(duì)3D生物打印技術(shù)進(jìn)行投資，盡管航天領(lǐng)域在快速發(fā)展的整個(gè)生物打印市場(chǎng)中仍然只占一小部分。越來(lái)越多的公司正在進(jìn)入這一領(lǐng)域，不斷推動(dòng)與生物打印工藝和生物墨水材料相關(guān)的技術(shù)創(chuàng)新。然而，與所有其他應(yīng)用領(lǐng)域相比，太空環(huán)境給3D生物打印工藝帶來(lái)了額外的挑戰(zhàn)。一是涉及低重力或微重力條件。迄今為止，已經(jīng)進(jìn)行了一些開創(chuàng)性的研究來(lái)證明拋物線飛行期間基于微擠壓的過(guò)程。更具體地說(shuō)，測(cè)試了顛倒打印，顯示了在這種條件下使用水凝膠生物墨水和適合骨生物打印中機(jī)械支撐的糊狀磷酸鈣骨水泥打印明確結(jié)構(gòu)的可行性。在國(guó)際空間站上進(jìn)行的其他開創(chuàng)性測(cè)試涉及長(zhǎng)期運(yùn)行的細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，證明了在微重力條件下管理細(xì)胞培養(yǎng)基和懸浮活細(xì)胞的可行性。與太空使用相關(guān)的最后一個(gè)挑戰(zhàn)與最大限度地減少?gòu)牡厍虬l(fā)射的材料的數(shù)量有關(guān)，這激發(fā)了對(duì)基于人體血漿和生物聚合物（即僅來(lái)自可再生來(lái)源）的創(chuàng)新生物墨水的研究。血漿可以從正在打印組織結(jié)構(gòu)的宇航員那里獲得，而生物聚合物可以從太空中培養(yǎng)的藻類、植物或細(xì)菌中分離出來(lái)。

關(guān)鍵結(jié)論

過(guò)去10至20年間，航天行業(yè)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，從一個(gè)以政府運(yùn)營(yíng)的高風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目為主流的資本密集型行業(yè)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋�(gè)競(jìng)爭(zhēng)激烈的領(lǐng)域，一些新的利益相關(guān)者和年輕公司正在引入新的技術(shù)。上下游領(lǐng)域的最佳實(shí)踐以及新的商業(yè)模式。這種演變塑造了我們目前所說(shuō)的新太空經(jīng)濟(jì)，在這種經(jīng)濟(jì)中，先進(jìn)的數(shù)字制造解決方案在實(shí)現(xiàn)雄心勃勃且具有挑戰(zhàn)性的目標(biāo)方面發(fā)揮著核心作用。

地球觀測(cè)、衛(wèi)星通信、導(dǎo)航和太空探索等空間領(lǐng)域的主要宏觀趨勢(shì)導(dǎo)致了對(duì)選擇最可行和最合適制造方法的驅(qū)動(dòng)因素和要求的重新定義，從而為增材制造技術(shù)的更廣泛采用奠定了基礎(chǔ)。世界各地的航天機(jī)構(gòu)制定的所有主要路線圖都定義了其未來(lái)航天活動(dòng)和相關(guān)技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)，都將增材制造作為關(guān)鍵使能技術(shù)之一。此外，智能、數(shù)字和綠色制造是私人和公共努力的核心，旨在提高每個(gè)工業(yè)領(lǐng)域（包括太空）的工廠的效率和可持續(xù)性。智能制造的定義是利用高度數(shù)字化的系統(tǒng)執(zhí)行生產(chǎn)任務(wù)的能力，配備自動(dòng)監(jiān)控和診斷能力、在線適應(yīng)性和互操作性。由于分層生產(chǎn)范式帶來(lái)的諸多好處，增材制造有潛力實(shí)現(xiàn)所有這些功能。此外，增材制造還與先進(jìn)材料的采用密切相關(guān)。其中，梯度材料和功能化/仿生材料是兩個(gè)至關(guān)重要的創(chuàng)新領(lǐng)域，增材制造為其帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇。先進(jìn)制造議程中的其他相關(guān)主題包括擴(kuò)展可通過(guò)增材制造加工的材料范圍、開發(fā)新的增材制造修復(fù)解決方案以及新的材料回收方法和后處理/精加工技術(shù)。這些只是需要持續(xù)研究工作的眾多領(lǐng)域中的一部分，以利用增材制造提供的多種好處和機(jī)會(huì)來(lái)支持可持續(xù)太空經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)。在地球上，預(yù)計(jì)在軌和行星增材制造將在未來(lái)幾年對(duì)實(shí)施和實(shí)現(xiàn)更加雄心勃勃的太空任務(wù)產(chǎn)生迅速增加的影響。一些增材制造部件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了飛行傳統(tǒng)，許多其他部件預(yù)計(jì)將在未來(lái)幾年內(nèi)飛行，包括關(guān)鍵任務(wù)部件和3D打印火箭。采用增材制造的下一個(gè)前沿領(lǐng)域包括大型結(jié)構(gòu)的太空制造以及空間部件、棲息地基礎(chǔ)設(shè)施和避難所的行星制造，以及支持未來(lái)長(zhǎng)期和遠(yuǎn)程載人任務(wù)的新型4D打印和3D生物打印方法。事實(shí)上，人類即將面臨歷史性的里程碑，例如人類重返月球、太空旅游基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展以及首次載人星際飛行任務(wù)的準(zhǔn)備。僅靠傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。增材制造是有望幫助航天機(jī)構(gòu)和私營(yíng)公司應(yīng)對(duì)這些項(xiàng)目帶來(lái)的挑戰(zhàn)的創(chuàng)新解決方案之一。因此，新的太空經(jīng)濟(jì)可以成為新型增材制造能力的開發(fā)、測(cè)試和驗(yàn)證的助推器，然后這些能力可以轉(zhuǎn)移到各種其他應(yīng)用領(lǐng)域，作為通常具有重大太空創(chuàng)新特征的技術(shù)衍生品的一部分。

論文引用

Ghidini T, Grasso M, Gumpinger J, et al. Additive manufacturing in the new space economy: Current achievements and future perspectives[J]. Progress in Aerospace Sciences, 2023: 100959.

https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2023.100959