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太空3D打印技术应用进展

2017-03-23 302浏览 标签: 太空3D打印

一.背景  

作为第三次工业革命制造领域的代表,3D打印技术的发展时刻受到社会各界的广泛关注。如今,人类利用3D打印技术进行的生产制造活动已经拓展到了外太空。

在此之前,人类送往太空的任何物品都要先在地球上制造完成,再发射到太空中去。这个过程成本极高,据NASA透露,向空间站输送一英镑(约454克)太空货物的邮费高达1万美元,此外输送流程极其繁琐耗时。

美国宇航局总工程师Dave Korsmeyer曾表示:想在太空中生活得更加自如,那么就应该能在飞行过程中设计制造所需的物品,这就是太空3D打印机产生的初衷所在。

未来,也许只需运送一台专用3D打印机到太空,航天员就可以自主打印出所需物品,实现太空制造。太空3D打印所需原材料的来源将从地球补给阶段起步,经历空间站内自给和废料回收阶段,逐步向太空开采阶段发展。


二、太空3D打印的应用领域及各国进展

现阶段,世界各国针对太空3D打印的研究开发主要面向零部件和食物两大应用领域。在太空中3D打印零部件可以帮助宇航员在失重环境下快速自制实验、维修等环节所需工具,减少空间站储备物资的种类与数量,降低空间站对地面补给的依赖性。通过先进的3D打印技术,宇航员可最大限度地利用太空舱内种植的新鲜食材制造食物,延长宇航员在太空中可生存的时间,解决未来人类探索太空过程中的生存保障问题。

1.【美国】

太空3D打印技术门槛极高,美国作为科技强国,在太空3D打印领域率先布局,成绩突出。

太空3D打印机方面,NASA与太空制造(Made In Space)公司合作,先后两次向国际空间站发送太空3D打印机。20149月,NASA首次将一台型号为“Zero-Gravity 3D Printer”的零重力3D打印机搭乘Falcon 9火箭送往国际空间站,两个月后,首次在太空打印出印有“Made In Space” “NASA”字样的铭牌。这一成果让科学家看到了实现在太空自我打印零部件的曙光。20163月,NASA将升级版的太空3D打印机再次送入国际空间站,设备型号为“Additive Manufacturing Facility ,简称AMF。与上一代相比,AMF可用的原材料拓展至30 种,且其打印尺寸和产品分辨率都大大提高,此外重点改善了微重力使用条件,保证了太空3D打印的稳定性和持久性。

2016NASA提供了一份为期两年、价值2000万美元的合同,用来资助太空制造(Made In Space)公司、诺斯洛普·格鲁门(Northrop Grumman公司和 Oceaneering Space Systems三家公司合作的Archinaut项目,主要目标是制造带有机械臂的3D打印机,并将其安装在国际空间站外部的分离舱内,使3D打印组装大型、复杂结构的能力于2018年在太空中得到展示。  

原材料方面,NASA致力于通过回收太空废料获取太空3D打印所需原材料,从而减轻发射重量,节省巨额的燃料成本。2014年,NASA与太空制造(Made In Space)公司合作开展R3DO研究项目,开发在太空中回收3D打印塑料耗材进行再利用的设备。2015年,在美国小企业创新研究计划的支持下,NASATethers Unlimited公司合作开发出一款结合了3D打印机和塑料回收功能的设备。

在太空3D打印食物领域,NASA早在2013年便投入12.5万美元委托外部企业研制专业打印机,但因初生代机器性能差强人意,该项目暂无后续进展。

2.【欧洲】

欧洲方面,在太空3D打印领域积极筹备的机构主要包括欧洲航天局ESA和俄罗斯联邦航天局。

最近几年,ESA表现出对太空3D打印技术空前高涨的热情。

20156月,ESA曾委托外部企业联盟开发一个名为MELT的两年期项目(全称:Manufacturing of Experimental Layer Technology,其主要任务就是开发可以在太空环境中使用的工业级3D打印机,用于在国际空间站上打印电路板。参与方包括了两家德国公司Active Space GMBHOHB Systems AG和两家葡萄牙公司Active Space SABEEVERYCREATIVE。预计这款 3D 打印机将在 2017 年被发射到国际空间站。

2016719日,ESA宣布成立先进制造技术和材料实验室,专门针对未来太空任务进行太空3D打印等先进制造技术的研发。

更引人注目的是,ESA“Moon 2020-2030” 项目专题讨论会上提出将从2020年开始进行月球宜居基地的建造计划,太空3D打印技术将在计划中发挥重要作用。

ESA关注领域不同,20168月,俄罗斯联邦航天局Roscosmos旗下的联合火箭航天公司URSC宣称,已与该国3D Bioprinting Solutions公司签署了协议,合作开发可在零重力环境下运行的磁性3D生物打印机,这款打印机将于2018运送到国际空间站中,用于打印对太空辐射高度敏感的组织和器官,以监测长期逗留在太空环境中的生物体所受到的宇宙辐射伤害。

3.【中国】

近几年我国航天事业发展迅猛,计划在2020年前后完成空间站建造及后期运营,2016915日,我国天宫二号空间实验室成功发射,一个重要任务就是突破和掌握航天员中期驻留等空间站关键技术。对此我国充分意识到了太空3D打印技术的重要作用,集中资金和科研力量研制空间在轨3D打印机,在太空3D打印零部件和食物应用领域积极筹备。

2016420日,经过中科院重庆绿色智能技术研究院和中科院空间应用工程技术中心两年共同努力,我国首台空间在轨3D打印机诞生,已在法国波尔多成功完成抛物线失重飞行试验,在微重力环境下实现了两种材料、三类工艺参数、四种模型的3D打印,成功获取了微重力环境对3D打印工艺参数影响的实验数据,成为现有可打印最大零部件尺寸的太空3D打印机。但这款打印机还存在无法打印复杂形状、打印精度不高以及无法实现多种材料打印等亟待解决的问题,想要满足空间站的高端应用需求,必须早日突破相关技术壁垒。

除此之外,在20166月开始的太空180”试验项目中,我国科学家研制出了用于制作食物的3D打印机。四名志愿者模拟 星际驻留生活,将试验舱内种植的小麦、螺旋藻等采摘后打成泥,作为原材料放入3D打印机中,10分钟后即打印出一块月饼。这款打印机仍处于雏形阶段,还未引入零重力工作环境进行考虑。


三.总结

纵观各国的研发情况,太空3D打印仍处于产业发展的初期阶段,甚至可以说是孕育阶段。在各科技强国的不懈努力下,太空3D打印机、原材料、产品性能和应用领域等方面都取得了一定进展。随着太空3D打印技术的不断进步,未来一段时间内,人们将有可能把地面制造工厂搬到外太空,利用太空中无限的空间及能源,实现真空、超低温等特殊环境下的3D打印,一方面能够在太空中制造出更多高精尖的设备,辅助我们进行空间资源的开发利用;另一方面实现飞行器的及时维修和燃料补充,使人类在深空探测中走得更远。

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