3D打印的新潛力：星際殖民和開(kāi)發(fā)宇宙空間

來(lái)源：騰訊網(wǎng)

利用3D計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過(guò)逐層累積材料合成物體的增材制造技術(shù)，正日益成為太空設(shè)備制造領(lǐng)域的最前沿。科學(xué)家認(rèn)為，3D打印可以顯著加快開(kāi)發(fā)地球外空間的速度。如何優(yōu)化3D打印機(jī)的 “太空制造” ，并提高打印構(gòu)件的安全性？如何使用新技術(shù)為納米衛(wèi)星創(chuàng)建超輕光學(xué)系統(tǒng)？來(lái)自俄羅斯大學(xué)（"5-100"計(jì)劃成員）的研究人員介紹了他們的最新進(jìn)展。

新方法的主要優(yōu)點(diǎn)之一在于一臺(tái)3D打印機(jī)可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)工廠的大量設(shè)備。 2020年11月，《福布斯》雜志將增材制造技術(shù)（來(lái)自拉丁語(yǔ)additivus-增加）列入值得企業(yè)家關(guān)注的五項(xiàng)革命性新技術(shù)清單。文章作者指出，增材制造技術(shù)將為航空航天產(chǎn)業(yè)帶來(lái)巨大的好處，在該領(lǐng)域，產(chǎn)品重量通常是影響運(yùn)輸成本的最主要因素。

太空3D打印可以顯著加快開(kāi)發(fā)地球外空間的速度；增材制造技術(shù)也正在積極滲透到火箭制造行業(yè)。

2020年5月30日，參加了Crew Dragon航天器和獵鷹9號(hào)火箭發(fā)射的宇航員羅伯特·貝肯和道格·赫利的頭盔是使用3D打印技術(shù)量身定制的。

SpaceX航空航天公司的負(fù)責(zé)人埃隆·馬斯克表示，使用3D打印，可以制造耐用的高性能發(fā)動(dòng)機(jī)零件，而花費(fèi)的時(shí)間和資金只是使用傳統(tǒng)制造方法的一小部分。還在2014年，SpaceX就已經(jīng)制造出首個(gè)3D打印構(gòu)件。

“藍(lán)色起源”航空航天公司杰夫·貝佐斯使用增材制造技術(shù)打印BE-4發(fā)動(dòng)機(jī)組件。來(lái)自美國(guó)（相對(duì)論空間）和英國(guó)（奧貝克斯）的年輕火箭公司也計(jì)劃充分利用3D打印機(jī)的可能性。

提高3D-構(gòu)件的安全性

與此同時(shí)，3D打印的構(gòu)件，即使存在最細(xì)微的缺陷，對(duì)于所創(chuàng)建設(shè)備的安全性也至關(guān)重要。國(guó)立研究型技術(shù)大學(xué)MISIS（NUST MISIS）的科學(xué)家們能夠改善鋁的3D打印技術(shù)，使產(chǎn)品的硬度提高了1.5倍。

NUST MISIS的研究人員認(rèn)為，此類(lèi)缺陷的主要風(fēng)險(xiǎn)是材料的高孔隙率，其原因之一是原始鋁粉的特性。為了確保打印產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)均勻且致密，科學(xué)家提出了向鋁粉中添加碳納米纖維的方法，以確保材料的低孔隙率并使其硬度提高1.5 倍。研究結(jié)果發(fā)表在《Composites Communications》雜志上。

NUST MISIS的教授亞歷山大·格羅莫夫介紹說(shuō)："碳納米纖維具有高導(dǎo)熱性，有助于在產(chǎn)品合成過(guò)程中，在選擇性激光熔化階段最小化打印層之間的溫度梯度。因此，材料微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性幾乎可以完全消除�！�

所使用的碳納米纖維是加工油田伴生氣的副產(chǎn)品。在其催化分解過(guò)程中，碳以納米纖維的形式積聚在催化劑分散的金屬顆粒上�？茖W(xué)家們還指出，通常伴生氣在油氣田“放空燃燒”，對(duì)環(huán)境造成危害，因此使用這種新方法具有重要的環(huán)保意義。

優(yōu)化“太空制造”

埃隆·馬斯克和其他專(zhuān)家們確信，3D打印可助力未來(lái)的太空開(kāi)發(fā)，例如殖民火星。

要在火星上生存，就需要能夠在那里開(kāi)始生產(chǎn)，并且最好利用當(dāng)?shù)氐牟牧稀?3D打印機(jī)可被用來(lái)建基地，并在那里構(gòu)建生存環(huán)境。

即使是現(xiàn)在，在國(guó)際空間站（ISS）的工作中，獲取材料的問(wèn)題也仍然很?chē)?yán)重，下一艘貨運(yùn)飛船宇航員不得不等幾個(gè)月。有時(shí)侯重要的小零件損壞或丟失，例如，電觸頭的塑料插頭經(jīng)常丟失。在這種情況下， 3D打印機(jī)在太空打印塑料產(chǎn)品可以解決此問(wèn)題。 未來(lái)，在星際飛行期間，可獲得性問(wèn)題將變得更加尖銳，對(duì)這種打印機(jī)的需求必將增加。

2016年，NASA委托Made in Space公司在國(guó)際空間站安裝一臺(tái)永久的3D打印機(jī)，以生產(chǎn)宇航員可能需要的工具、設(shè)備和其它任何東西。隨后，一些歐洲、中國(guó)和其它的公司也宣布制造類(lèi)似的機(jī)器。

研制3D打印機(jī)的研究人員，托木斯克理工大學(xué)（TPU）的科學(xué)家表示，俄羅斯生產(chǎn)的3D打印機(jī)將于2021年進(jìn)入太空，其優(yōu)勢(shì)是一個(gè)更先進(jìn)的模塊化系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備升級(jí)和維修。因此，當(dāng)3D打印材料從簡(jiǎn)單的塑料轉(zhuǎn)向超結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料時(shí)，工程師將不必像今天美國(guó)同事那樣制造新的打印機(jī)，然后將其交付給 ISS使用。

TPU現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)科學(xué)和生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人瓦西里·費(fèi)多羅夫說(shuō)："現(xiàn)在，3D 打印機(jī)的工作布局進(jìn)入最后階段。對(duì)發(fā)送到 ISS 的設(shè)備在耐機(jī)械、氣候和其它負(fù)載方面有嚴(yán)格的要求。此外，要確保3D打印機(jī)對(duì)宇航員絕對(duì)安全�，F(xiàn)在，所有這一切都在檢查中，進(jìn)行了一系列測(cè)試和檢驗(yàn)。同時(shí)，對(duì)專(zhuān)門(mén)為該打印機(jī)設(shè)置的軟件進(jìn)行改進(jìn)�！�

為納米衛(wèi)星創(chuàng)建超輕型光學(xué)系統(tǒng)

照片 : 托木斯克工業(yè)大學(xué)高技術(shù)物理學(xué)研究所所 俄羅斯將從2021年開(kāi)始量產(chǎn)3D打印小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)

3D打印的可能性使薩馬拉大學(xué)的科學(xué)家們能夠?yàn)榧{米衛(wèi)星創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)特的超輕光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有衍射光學(xué)器件。 研究人員說(shuō)，這將是世界上第一個(gè)帶衍射光學(xué)器件的透鏡進(jìn)入太空。

光學(xué)系統(tǒng)的核心是在大學(xué)研制出的平面衍射透鏡，它具有獨(dú)特的特性。 基于這種透鏡的鏡頭取代了現(xiàn)代遠(yuǎn)射鏡頭的透鏡系統(tǒng)，其特性是重量輕（與光學(xué)部件一起重量小于100克）和尺寸微小。

該鏡頭具有創(chuàng)新的仿生形狀外殼，采用最佳技術(shù)設(shè)計(jì)，在保持強(qiáng)度特性的同時(shí)最大限度地減輕重量。 航天器部件復(fù)雜的外部形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)是在SLM280HL選擇性激光融合設(shè)備上進(jìn)行3D打印的。

據(jù)科學(xué)家介紹，為了盡量減輕部件的重量，在其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，其結(jié)果是增加了特殊的蜂窩塊。 部件的尺寸為70×80×100毫米，由于使用增材制造技術(shù)，其重量比傳統(tǒng)方法制造的類(lèi)似部件減輕了約40％。

薩馬拉大學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)技術(shù)教研室副教授維塔利·斯梅洛夫介紹說(shuō)："該透鏡的外殼由AlSi10Mg鋁合金粉末制成。 俄羅斯生產(chǎn)的合金在俄羅斯國(guó)內(nèi)外都享有盛譽(yù)。 在航天和航空領(lǐng)域，重量是主要特性，業(yè)內(nèi)一直都在設(shè)法降低該指標(biāo)"。

科學(xué)家們對(duì)原始結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多階段拓?fù)鋬?yōu)化，獲得并分析了幾種形式。

薩馬拉大學(xué)研究員安東·阿加波維奇夫表示："我們與CADFEM CIS拓?fù)鋬?yōu)化和增材制造技術(shù)領(lǐng)域的專(zhuān)家合作，進(jìn)行了大量工作，以獲得一種新型結(jié)構(gòu)形式，滿足世界航天工業(yè)公司的現(xiàn)代要求�！�

據(jù)科學(xué)家介紹說(shuō)，同類(lèi)產(chǎn)品，比如立方體衛(wèi)星壁虎成像儀（Gecko Imager）的鏡頭，其價(jià)格是2萬(wàn)3千歐元，而他們正在開(kāi)發(fā)的光學(xué)系統(tǒng)的價(jià)格將會(huì)低得多。