里程碑！Made In Space 3D打印大型梁結(jié)構(gòu)件并通過(guò)測(cè)試

3D打印的未來(lái)不僅僅在于用于地球上的制造業(yè)，還在于用于航天領(lǐng)域的空間制造。Made In Space公司正致力于將這一切變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。Made In Space 新的太空制造計(jì)劃是一臺(tái)形似蜘蛛的太空制造設(shè)備Archinaut，該設(shè)備集成了3D打印機(jī)和機(jī)械臂。最近Archinaut取得了重大突破，3D打印了復(fù)雜硬件和超空間結(jié)構(gòu)，并在模擬環(huán)境下的外空間環(huán)境中成功通過(guò)測(cè)試。

Made In Space的工作場(chǎng)所位于加州的 Moffett Field，是由一個(gè)廢棄的海軍航空基地改造而成的，在這里還有NASA的Ames研究中心以及其他空間技術(shù)創(chuàng)業(yè)公司。美國(guó)現(xiàn)在的一個(gè)趨勢(shì)是私人公司正在開(kāi)始協(xié)助甚至接管美國(guó)航空航天局的一些任務(wù)，這些任務(wù)正推動(dòng)空間探索走向商業(yè)化。

具體來(lái)說(shuō)，NASA的Archinaut TDM 項(xiàng)目是由Made In Space牽頭，以期在2020年最終將這項(xiàng)技術(shù)投入軌道空間建設(shè)中。而當(dāng)前Archinaut首次完成在微重力環(huán)境中完成制造任務(wù)的測(cè)試代表了重大里程碑。

Archinaut本質(zhì)上是一個(gè)具有機(jī)器人手臂的3D打印機(jī)，可以自動(dòng)地組裝和打印結(jié)構(gòu)件。通過(guò)測(cè)試的是用于組裝空間站或探測(cè)車(chē)的大型梁結(jié)構(gòu)件和其他部件。NASA技術(shù)將在2018年進(jìn)行另一項(xiàng)重大測(cè)試，下一步將是送到空間中進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。

空間制造具有巨大的潛在優(yōu)勢(shì)，不僅適用于太空探索和定居，這項(xiàng)技術(shù)的成功將意味著太空中的建設(shè)任務(wù)可能變得越來(lái)越自主，獨(dú)立于人類的參與，并且由于在發(fā)射時(shí)占用更少的初始資源，更具成本效益。

達(dá)到目標(biāo)目的地后，機(jī)器人3D打印機(jī)可以在現(xiàn)場(chǎng)打印并組裝所需的所有零件，進(jìn)行各種不同的任務(wù)和實(shí)驗(yàn)。甚至可以擴(kuò)展到生產(chǎn)更多的機(jī)器人3D打印機(jī)，而這種完全自我復(fù)制的技術(shù)將使外層空間建設(shè)發(fā)展呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，也許將實(shí)現(xiàn)在月球或火星上自發(fā)建造定居點(diǎn)。

從11月開(kāi)始，Made In Space還將開(kāi)始使用名為ZBLAN的稀有玻璃材料進(jìn)行光纖的空間生產(chǎn)。這種材料將使纖維能夠傳導(dǎo)比常規(guī)硅纖維高達(dá)100倍的信號(hào)。有趣的是在空間中制造ZBLAN材料比在地球上容易得多，因?yàn)樵诘厍虻闹亓Νh(huán)境下會(huì)導(dǎo)致不希望出現(xiàn)的晶體形成。

如果在地球上制造航天器，航天器上的結(jié)構(gòu)需要被折疊起來(lái)，等到送入太空之后再展開(kāi)。Archinaut具有的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是直接在太空中進(jìn)行制造，無(wú)需折疊。在打印材料足夠充分的情況下，可以制造出非常大的航天器。這種太空直接制造的方式，也減少了對(duì)航空器進(jìn)行“空間優(yōu)化”的需求，實(shí)現(xiàn)全新的航天器設(shè)計(jì)，同時(shí)減少太空發(fā)射的成本。未來(lái)，Archinaut也可以用于制造和裝配衛(wèi)星中需要升級(jí)的零部件。

聽(tīng)起來(lái)，Archinaut或從SpiderFab的制造理念發(fā)展而來(lái)。不用將整個(gè)空間結(jié)構(gòu)送入太空，未來(lái)火箭可能僅需搭載原材料，然后在軌道上由“蜘蛛制造”系統(tǒng)建造而成。比起平整包裝的碳纖維片材，一個(gè)完整的無(wú)線電天線將占據(jù)更多空間。人類很快將能像蜘蛛在地面織網(wǎng)一樣，在太空中建造巨大的空間結(jié)構(gòu)。2015年，在NASA的資助下，系繩無(wú)限公司（Tethers Unlimited）正在研發(fā)稱為“蜘蛛制造”（SpiderFab）的太空制造系統(tǒng)，可利用蜘蛛形機(jī)器人在太空中集成大型空間結(jié)構(gòu)。

“蜘蛛制造”概念的核心是一個(gè)多臂機(jī)器人，用于部署到太空以建造空間結(jié)構(gòu)組件，從一個(gè)“噴絲器”排出并熔合碳纖維條，像地球上織網(wǎng)的蜘蛛一樣沿著桁架網(wǎng)絡(luò)爬動(dòng)，最終對(duì)這些組件進(jìn)行集成，制造出整個(gè)物體。根據(jù)系繩公司的計(jì)劃，“蜘蛛制造”系統(tǒng)將能用于建造大型無(wú)線電天線、航天器架構(gòu)和太陽(yáng)能電池陣列。

在地面建造并集成所有部件然后整體發(fā)射入軌的航天器制造模式非常昂貴且耗時(shí)，航天器尺寸還會(huì)受到折疊并放置在火箭整流罩內(nèi)的可展裝置尺寸的限制。“蜘蛛制造”技術(shù)可降低成本并提高效率。此概念概念需要將碳纖維等原材料送入軌道。在軌道上，機(jī)器人利用這些材料建造桁架子結(jié)構(gòu)，并將這些子結(jié)構(gòu)組裝并集成為大型系統(tǒng)。這種方法的潛在效益很多，主要是可以部署比當(dāng)前火箭整流罩尺寸大得多的孔徑和基線等空間結(jié)構(gòu)。這種方法將為廣泛的NASA、國(guó)防部和商業(yè)空間任務(wù)帶來(lái)更高功率、更高分辨率、更高靈敏度和更大帶寬。此外，太空中建造的物體將比從地面發(fā)射的那些擁有更新、更簡(jiǎn)單和更現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)，因?yàn)樗鼈儾恍枰��?jīng)受?chē)?yán)酷的發(fā)射環(huán)境。這將降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度并減輕系統(tǒng)質(zhì)量，進(jìn)一步帶來(lái)巨大成本節(jié)省。

蜘蛛機(jī)器人的制造原理聽(tīng)起來(lái)或許“小眾”，但并不排除這種3D打印技術(shù)應(yīng)用到基礎(chǔ)工業(yè)制造領(lǐng)域的可能性。2016年，西門(mén)子技術(shù)研究院在普林斯頓大學(xué)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種八條腿的3D打印機(jī)器人，它的名字是SiSpis。SiSpis 的外形和工作原理非常像一只蜘蛛，身上裝有一個(gè)可擠出PLA 打印材料的3D打印機(jī)、相機(jī)和激光掃描儀。

SiSpis通過(guò)攝像頭和激光掃描儀來(lái)分析自己的環(huán)境，并計(jì)算自己可以完成哪些工作任務(wù)。通過(guò)西門(mén)子的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、建模和仿真研究團(tuán)隊(duì)給出的算法，其他蜘蛛將根據(jù)這些數(shù)據(jù)決定他們需要完成的3D打印任務(wù)。整個(gè)過(guò)程可以確保沒(méi)有被遺漏的區(qū)域。蜘蛛機(jī)器人擠出打印材料的過(guò)程，就像蜘蛛吐絲、織網(wǎng)一樣，逐漸完成一個(gè)大型物品的3D打印。SiSpis 蜘蛛機(jī)器人在每次充電之后可以持續(xù)作業(yè)兩個(gè)小時(shí)。

來(lái)源：3D科學(xué)谷

延伸閱讀：Made In Space 計(jì)劃在太空中3D打印和裝配航天器