加州大學(xué)在亞太空軌道測試光刻3D打印機(jī)，有望改變太空探索游戲規(guī)則

在未來的深空任務(wù)中，距離地球數(shù)百萬英里的航天器上的一個(gè)破裂部件很可能會導(dǎo)致災(zāi)難。但加州大學(xué)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(jī) SpaceCAL 搭乘維珍銀河的 07 號任務(wù)進(jìn)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(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們目前能力的未來任務(wù)至關(guān)重要。

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

該項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人是伯克利大學(xué)機(jī)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(dān)任路徑規(guī)劃工程師，在那里他從事各種前沿項(xiàng)目，從設(shè)計(jì)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(yīng)用的虛擬現(xiàn)實(shí) (VR) 工具。

在伯克利，沃德爾在海登·泰勒教授的指導(dǎo)下領(lǐng)導(dǎo) SpaceCAL 項(xiàng)目，泰勒教授因其在革命性的 3D 打印工藝計(jì)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(guān)鍵部件和醫(yī)療用品成為未來深空任務(wù)的現(xiàn)實(shí)。

△CAL（計(jì)算軸向光刻）打印技術(shù)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(jī)了，但 Waddell 和他在伯克利的團(tuán)隊(duì)想要走得更遠(yuǎn)。他們一直在努力完善 SpaceCAL，這是一項(xiàng)下一代技術(shù)，旨在通過擴(kuò)大可在太空打印的材料和物體范圍來進(jìn)一步減少對地球的依賴。該技術(shù)潛在的應(yīng)用范圍非常廣泛，從制造關(guān)鍵的航天器部件到宇航員的醫(yī)療用品。

△SpaceCAL團(tuán)隊(duì)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(jī)（維珍銀河為商業(yè)太空旅游和科學(xué)研究而設(shè)計(jì)的 SpaceShipTwo 艦隊(duì)的一部分）進(jìn)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(gè)測試部件。其中包括航天飛機(jī)的微型模型和廣受歡迎的 3D 打印基準(zhǔn) Benchy 小雕像或3DBenchy，這是一種小型、高度詳細(xì)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(xiàng)最新任務(wù)由 NASA 的飛行機(jī)會計(jì)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(yàn)證這項(xiàng) 3D 打印技術(shù)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(jī)組人員的新隱形眼鏡和牙冠等一切東西�！�

此次任務(wù)的成功標(biāo)志著該項(xiàng)目的一個(gè)重要里程碑，因?yàn)樵趯?shí)際太空條件下的測試驗(yàn)證了打印機(jī)已準(zhǔn)備好執(zhí)行更雄心勃勃的任務(wù)。

△由SpaceCAL 打印的航天飛機(jī)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(jì)算軸向光刻 (CAL)技術(shù)

SpaceCAL 背后的技術(shù)是計(jì)算軸向光刻 (CAL)，由伯克利和勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL) 的研究人員于 2017 年開發(fā)。

CAL技術(shù)的原理通過反向應(yīng)用計(jì)算機(jī)斷層掃描 (CT) 技術(shù)來實(shí)現(xiàn)體積制造，通過從多個(gè)角度曝光光聚合物樹脂體積來制造結(jié)構(gòu)，在每個(gè)角度更新光場。必要的光場在空間和/或時(shí)間上是多路復(fù)用的，這樣它們在目標(biāo)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(qiáng)度分布。

事實(shí)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(yùn)行。這使其成為太空應(yīng)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(wù)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(fù)合材料和生物材料。Waddell 表示，多功能性對機(jī)艙和機(jī)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(jī)械支架甚至工具。但 CAL 還能夠修復(fù)機(jī)組人員。我們可以打印假牙、皮膚移植物或鏡片，或?yàn)橛詈絾T打印個(gè)性化的急救藥品，這在這些任務(wù)中也非常重要�！�

事實(shí)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(shù)測試生物打印。該任務(wù)的長期目標(biāo)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(tuán)隊(duì)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(xiàng)目的成功歸功于許多人的貢獻(xiàn)，從海登·泰勒納米級制造實(shí)驗(yàn)室的同學(xué)到確保任務(wù)成功的維珍銀河工程師。沃德爾還表示，他的導(dǎo)師泰勒教授給了他自由探索自己熱愛的領(lǐng)域，并帶領(lǐng)項(xiàng)目朝著他認(rèn)為最有前途的方向發(fā)展。

該項(xiàng)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(xiàng)目提升到新水平方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。憑借這次成功的任務(wù)，Waddell和他的團(tuán)隊(duì)希望與 NASA 密切合作，進(jìn)一步開發(fā) CAL 技術(shù)。

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(shù)工具，可能性都是無窮無盡的，而 SpaceCAL 可能正是適合這項(xiàng)工作的打印機(jī)。

△SpaceCAL任務(wù)補(bǔ)丁，標(biāo)志著 3D 打印機(jī)首次進(jìn)入太空。圖片由 KirkMendoza 提供。