加州大學在亞太空軌道測試光刻3D打印機，有望改變太空探索游戲規(guī)則

在未來的深空任務中，距離地球數(shù)百萬英里的航天器上的一個破裂部件很可能會導致災難。但加州大學伯克利分校的一組研究人員已經(jīng)在努力改變這一現(xiàn)狀。2024 年 6 月 8 日，他們的尖端 3D 打印機 SpaceCAL 搭乘維珍銀河的 07 號任務進行了一次短暫但具有開創(chuàng)性的太空之旅。在短短 140 秒的亞軌道飛行中，打印機成功制造出測試部件，展示了太空按需制造的潛力。這種能力對于遠遠超出我們目前能力的未來任務至關重要。

△VSSUnity 上的 SpaceCAL 3D 打印機，于 2024年 6 月 8 日等待發(fā)射。圖片由維珍銀河提供。

該項目的負責人是伯克利大學機械工程系的博士生兼研究生 Taylor Waddell。Waddell 的背景令人印象深刻，包括他在美國宇航局肯尼迪航天中心擔任路徑規(guī)劃工程師，在那里他從事各種前沿項目，從設計美國宇航局的太空發(fā)射系統(tǒng) (SLS) 火箭的硬件到開發(fā)用于工程應用的虛擬現(xiàn)實 (VR) 工具。

在伯克利，沃德爾在海登·泰勒教授的指導下領導 SpaceCAL 項目，泰勒教授因其在革命性的 3D 打印工藝計算軸向光刻 (CAL) 方面的開創(chuàng)性工作而聞名。他們共同推動太空制造的界限，旨在使按需打印關鍵部件和醫(yī)療用品成為未來深空任務的現(xiàn)實。

△CAL（計算軸向光刻）打印技術的飛行硬件版本。圖片由 Taylor Waddell 通過 LinkedIn 提供。

SpaceCAL 的旅程是太空制造業(yè)不斷發(fā)展的一部分。雖然太空 3D 打印并不是什么新鮮事，畢竟國際空間站(ISS) 上已經(jīng)裝配打印機了，但 Waddell 和他在伯克利的團隊想要走得更遠。他們一直在努力完善 SpaceCAL，這是一項下一代技術，旨在通過擴大可在太空打印的材料和物體范圍來進一步減少對地球的依賴。該技術潛在的應用范圍非常廣泛，從制造關鍵的航天器部件到宇航員的醫(yī)療用品。

△SpaceCAL團隊成員在維珍銀河發(fā)射場（從左到右）：Sean Chu、JakeNickel、Austin Portinause、TaylorWaddell 和 Brian Chung。圖片由維珍銀河提供。

在搭乘維珍太空飛船 (VSS) Unity 太空飛機（維珍銀河為商業(yè)太空旅游和科學研究而設計的 SpaceShipTwo 艦隊的一部分）進入亞軌道空間的短暫 140 秒旅程中，SpaceCAL 自主打印并后期處理了四個測試部件。其中包括航天飛機的微型模型和廣受歡迎的 3D 打印基準 Benchy 小雕像或3DBenchy，這是一種小型、高度詳細的模型。這些打印件使用的材料是 PEGDA，這是一種液態(tài)塑料，在光引發(fā)劑存在下暴露在光線下會變硬。

Waddell 說：“SpaceCAL在過去的拋物線飛行測試中在微重力條件下表現(xiàn)良好，但它仍有一些事情需要證明。這項最新任務由 NASA 的飛行機會計劃資助，并得到了伯克利工程公司和伯克利航天中心的支持，使我們能夠驗證這項 3D 打印技術是否適合太空旅行。我們希望有一天它可以用于制造從航天器的零件和工具到機組人員的新隱形眼鏡和牙冠等一切東西�！�

此次任務的成功標志著該項目的一個重要里程碑，因為在實際太空條件下的測試驗證了打印機已準備好執(zhí)行更雄心勃勃的任務。

△由SpaceCAL 打印的航天飛機模型，在微重力環(huán)境下漂浮，并經(jīng)過全面后期處理。圖片由 TaylorWaddell 提供。

計算軸向光刻 (CAL)技術

SpaceCAL 背后的技術是計算軸向光刻 (CAL)，由伯克利和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL) 的研究人員于 2017 年開發(fā)。

CAL技術的原理通過反向應用計算機斷層掃描 (CT) 技術來實現(xiàn)體積制造，通過從多個角度曝光光聚合物樹脂體積來制造結(jié)構(gòu)，在每個角度更新光場。必要的光場在空間和/或時間上是多路復用的，這樣它們在目標樹脂體積中的總能量劑量將樹脂交聯(lián)成用戶定義的幾何形狀。這些光場可以是靜態(tài)的或動態(tài)的，可以由空間光調(diào)制器 (SLM) 生成，該調(diào)制器控制光場的相位或振幅（或兩者兼而有之）以提供必要的強度分布。

事實上，CAL 可以在短短 20 秒內(nèi)打印出零件。但 CAL 的與眾不同之處不僅在于速度，還在于它能夠在微重力環(huán)境下有效運行。這使其成為太空應用的理想候選者。

沃德爾表示：“借助 CAL，我們能夠證明——首先是在零重力任務中，現(xiàn)在在這次太空飛行中——我們可以在微重力環(huán)境下打印地球上無法打印的部件�！�

到目前為止，CAL 已經(jīng)證明它可以成功打印地球上 60 多種不同的材料，例如硅膠、玻璃復合材料和生物材料。Waddell 表示，多功能性對機艙和機組人員都很有用。

專家指出：“因此，有了艙室，如果你的航天器出現(xiàn)故障，你可以打印 O 形環(huán)或機械支架甚至工具。但 CAL 還能夠修復機組人員。我們可以打印假牙、皮膚移植物或鏡片，或為宇航員打印個性化的急救藥品，這在這些任務中也非常重要。”

事實上，LLNL 已經(jīng)獲得了 NASA的資助，將在國際空間站上使用 CAL 技術測試生物打印。該任務的長期目標是在太空中打印人體器官，并將其帶回地球用于移植。

△美國宇航局艾姆斯研究中心的 SpaceCAL 團隊成員（從左到右）：Dillon Balk、Sean Chu、Ameera Elgonemy 和 Brian Chung。圖片由 Taylor Waddell 提供。

沃德爾將該項目的成功歸功于許多人的貢獻，從海登·泰勒納米級制造實驗室的同學到確保任務成功的維珍銀河工程師。沃德爾還表示，他的導師泰勒教授給了他自由探索自己熱愛的領域，并帶領項目朝著他認為最有前途的方向發(fā)展。

該項目得益于 NASA 提供的 140萬美元資助和工程支持。此外，維珍銀河在將該項目提升到新水平方面發(fā)揮了關鍵作用。憑借這次成功的任務，Waddell和他的團隊希望與 NASA 密切合作，進一步開發(fā) CAL 技術。

隨著太空探索的不斷發(fā)展，在太空中制造零部件和物資的能力將變得越來越重要。無論是為宇航員打印牙冠，還是為緊急醫(yī)療程序打印手術工具，可能性都是無窮無盡的，而 SpaceCAL 可能正是適合這項工作的打印機。

△SpaceCAL任務補丁，標志著 3D 打印機首次進入太空。圖片由 KirkMendoza 提供。