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首页 > 资讯中心微重力下青岛3D打印用(yòng)于太空探索
发布时间：2020-10-18
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几十年来，失重实验室的非凡优势一直吸引着科(kē)學(xué)家们。这是因為(wèi)在微重力条件下观察现象和过程有(yǒu)助于為(wèi)人类深空探索做好准备，并為(wèi)改善地球上的生活质量提供知识。微重力為(wèi)探索多(duō)种科(kē)學(xué)研究的基础提供了理(lǐ)想的环境，并且可(kě)以把握释放3D打印全部潜力的关键。在没有(yǒu)地球上经历的扭曲的情况下，研究人员可(kě)以深入了解物(wù)理(lǐ)和生物(wù)系统的内部运作，从而推动轨道上的增材制造（AM）技术的发展。
多(duō)年来，研究人员一直在微重力环境下进行研究。在國(guó)际空间站(ISS)的國(guó)家空间实验室成為(wèi)轨道研究平台之前，空间机构完全依赖于其他(tā)手段。其中包括空降塔、亚轨道太空飞行、人工微重力模拟器，特别是在地球上的抛物(wù)線(xiàn)飞行，这种飞行可(kě)以调整到零重力或低重力水平，就像在月球或火星表面发现的那样。自20世纪50年代以来，许多(duō)创新(xīn)和可(kě)行的选择已经出现，但仅限于微重力持续的短时间。
國(guó)际空间站
國(guó)际空间站上唯一一个永久占据的微重力实验室允许研究人员和宇航员进行数百小(xiǎo)时的实验，以证明理(lǐ)论和揭示之前无法解释的现象。他(tā)们甚至已经迈出了实现按需微重力3D打印站的第一步。
ISS提供了一个宝贵的起点，可(kě)以推动3D打印技术在太空中的潜力。 ISS首席科(kē)學(xué)家Kirt Costello表示：“在太空中，没有(yǒu)浮力驱动的对流。热的事物(wù)不会胜过冷的事物(wù)，因此在很(hěn)多(duō)时候，当您进行材料科(kē)學(xué)时，尤其是涉及材料的熔化或加工时，可(kě)能(néng)会有(yǒu)新(xīn)的发现。因此，人们在研究太空新(xīn)材料以及如何利用(yòng)微重力作為(wèi)其中一个因素来形成更强、更有(yǒu)利的材料方面取得了进展。”
由于基于地球的后勤支持的可(kě)用(yòng)性极為(wèi)有(yǒu)限，因此3D打印可(kě)能(néng)会成為(wèi)太空中最重要的技术之一。今天的太空飞行任務(wù)要求美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）每年向ISS运送7,000磅以上的备件。当另外29,000磅的航天硬件备件存储在该站上时，还有(yǒu)39,000待在地面上，可(kě)以根据需要准备飞行。
这种后勤系统可(kě)能(néng)对于在地球上空250英里处运行的航天器非常有(yǒu)效，但是对于未来的登月，火星及以后的飞行任務(wù)，这根本不可(kě)行。一艘太空船到达月球大约需要三天，而每磅的成本為(wèi)10,000美元，任何一个月球殖民(mín)地都会很(hěn)快成為(wèi)一项非常昂贵的任務(wù)。太空人员将需要制造自己的备件，工具和材料。因此，利用(yòng)普通原材料按需制造是必不可(kě)少的，一些研究人员正在探索使用(yòng)各种循环利用(yòng)的船上废料作為(wèi)原料。
首批太空3D打印机
到目前為(wèi)止，空间站已经收到了多(duō)个3D打印实验和3D打印系统平台。2014年秋天，NASA和Made In Space (MIS)使用(yòng)熔丝制造(FFF)打印机执行了第一次在轨制造演示，这是3D打印零重力技术演示任務(wù)的一部分(fēn)。一旦被安装到國(guó)际空间站的微重力科(kē)學(xué)手套箱(一个密封的调查设备)，打印机就立即开始工作，甚至还能(néng)打印出由指挥官巴里·"布奇"·威尔莫在國(guó)际空间站上打印的第一个扳手。
任務(wù)的主要目的是证明打印机的关键操作功能(néng)，并通过制造机械性能(néng)测试物(wù)品和功能(néng)性工具，通过FFF流程评估微重力对材料结果的影响，并最终演示遠(yuǎn)程命令。根据NASA的分(fēn)析，经过為(wèi)期四年的比较研究实验，航天局在國(guó)际空间站上并使用(yòng)地球上的3D打印机在模拟微重力下制造了工具和其他(tā)物(wù)體(tǐ)，所有(yǒu)物(wù)體(tǐ)的性能(néng)均相同。实际上，在已发表的研究中，研究人员指出，在基于物(wù)理(lǐ)的FFF过程模型中，微重力对材料结果没有(yǒu)显着影响。
3D打印任務(wù)成功地展示了太空制造的第一步。然而，MIS通过推出另一个商(shāng)业印刷设施，继续推进其地球外制造的愿景。这一次，AMF公司的增材制造工厂(AMF)已于2016年3月进入轨道，利用(yòng)三种不同的聚合物(wù):ABS塑料、绿色聚乙烯生物(wù)塑料和可(kě)用(yòng)于太空的PEI/PC塑料，已经為(wèi)各种商(shāng)业和私人客户额外制造了100多(duō)个独立部件。
由學(xué)生在未来工程师计划中设计的3D打印多(duō)功能(néng)工具，漂浮在國(guó)际空间站的增材制造设施的前面
利用(yòng)3D打印技术开发空间是这项技术的最终用(yòng)途。在地球上，AM与更老、更成熟的制造平台竞争。在太空领域，3D打印将成為(wèi)第一个、最可(kě)靠、性价比最高的全新(xīn)商(shāng)业领域的生产平台。3D打印在太空是一项使之成為(wèi)可(kě)能(néng)的技术，对人类探索低地球轨道(LEO)环境至关重要。通过对关键系统的一些修改，MIS能(néng)够证明AM与基于挤压的机器在微重力下的功能(néng)类似于它在地面上的功能(néng)，允许一个完整的概念证明。
但是，根据MIS的经验，使用(yòng)聚合物(wù)原料进行在轨AM并不会显示最终产品与地面产品的实质性差异。虽然这可(kě)以很(hěn)好地预测轨道上将产生什么，但科(kē)學(xué)家们认為(wèi)，使用(yòng)聚合物(wù)原料缺乏结构差异也可(kě)能(néng)会限制太空增幅材料在材料性能(néng)方面的优势。
或者，对于金属不是这种情况。金属AM在微重力下会改变产品的微观结构和孔隙率。由國(guó)际空间站美國(guó)國(guó)家实验室负责人，由太空科(kē)學(xué)发展中心（CASIS）组织的2020年虚拟增材制造研讨会中讨论空间制造的优势与局限性的专家小(xiǎo)组确定，在微重力下，熔池中缺乏对流驱动的混合会影响沉积过程中组成的元素混合/均匀性，以及冷却速率。因此，研究应考虑金属線(xiàn)（例如用(yòng)于定向能(néng)量沉积）或聚合物(wù)長(cháng)丝系统，以及“混合介质”产品，例如纤维增强塑料或金属線(xiàn)增强陶瓷。
“如果要在地球外建立可(kě)持续发展的存在，我们需要提出新(xīn)的材料，或者需要调整旧的材料以在微重力环境中使用(yòng)和减少，特别要注意环境，” NASA项目解释说。经理(lǐ)詹妮弗·埃德蒙森（Jennifer Edmunson）。 “因此，如果我们想要在月球表面能(néng)幸存的东西，则必须做好应对热变，辐射，微流星撞击和带静電(diàn)的月球表面的准备。如果新(xīn)材料能(néng)够在月球环境中生存，它们很(hěn)可(kě)能(néng)将在地球上生長(cháng)得很(hěn)好。”
专家认為(wèi)，在地面系统不能(néng)轻易转化為(wèi)微重力条件的情况下，有(yǒu)必要采用(yòng)新(xīn)颖的空间生产方法。為(wèi)原料开辟新(xīn)的选择，包括弹性體(tǐ)，泡沫和橡胶等软质材料；低粘度油墨；新(xīn)的聚合物(wù)选择，例如更長(cháng)的固化时间热固性材料，填充聚合物(wù)系统，连续纤维增强和半结晶聚合物(wù)。此外，有(yǒu)必要研究原位材料将如何转化為(wèi)合适的增材制造原料，尤其是对于其他(tā)行星體(tǐ)的原位资源利用(yòng)而言，太空人可(kě)以期望找到可(kě)能(néng)具有(yǒu)变质潜力的易碎石型材料。
國(guó)际空间站上的美國(guó)实验室
尽管ISS國(guó)家实验室是探索微重力下3D打印可(kě)能(néng)性的理(lǐ)想环境，但仍有(yǒu)许多(duō)未解决的问题。到目前為(wèi)止，太空机构和私人公司之间的协作和创新(xīn)方法一直使AM得以在太空中蓬勃发展。随着人类居住计划的扩展，其主要目的是探索比以往任何时候都更多(duō)的月球表面，这个独特的轨道实验室对于了解人类如何在長(cháng)期内可(kě)持续生活至关重要。
多(duō)年来，研究人员一直在微重力环境下进行研究。在國(guó)际空间站(ISS)的國(guó)家空间实验室成為(wèi)轨道研究平台之前，空间机构完全依赖于其他(tā)手段。其中包括空降塔、亚轨道太空飞行、人工微重力模拟器，特别是在地球上的抛物(wù)線(xiàn)飞行，这种飞行可(kě)以调整到零重力或低重力水平，就像在月球或火星表面发现的那样。自20世纪50年代以来，许多(duō)创新(xīn)和可(kě)行的选择已经出现，但仅限于微重力持续的短时间。
國(guó)际空间站
國(guó)际空间站上唯一一个永久占据的微重力实验室允许研究人员和宇航员进行数百小(xiǎo)时的实验，以证明理(lǐ)论和揭示之前无法解释的现象。他(tā)们甚至已经迈出了实现按需微重力3D打印站的第一步。
ISS提供了一个宝贵的起点，可(kě)以推动3D打印技术在太空中的潜力。 ISS首席科(kē)學(xué)家Kirt Costello表示：“在太空中，没有(yǒu)浮力驱动的对流。热的事物(wù)不会胜过冷的事物(wù)，因此在很(hěn)多(duō)时候，当您进行材料科(kē)學(xué)时，尤其是涉及材料的熔化或加工时，可(kě)能(néng)会有(yǒu)新(xīn)的发现。因此，人们在研究太空新(xīn)材料以及如何利用(yòng)微重力作為(wèi)其中一个因素来形成更强、更有(yǒu)利的材料方面取得了进展。”
由于基于地球的后勤支持的可(kě)用(yòng)性极為(wèi)有(yǒu)限，因此3D打印可(kě)能(néng)会成為(wèi)太空中最重要的技术之一。今天的太空飞行任務(wù)要求美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）每年向ISS运送7,000磅以上的备件。当另外29,000磅的航天硬件备件存储在该站上时，还有(yǒu)39,000待在地面上，可(kě)以根据需要准备飞行。
这种后勤系统可(kě)能(néng)对于在地球上空250英里处运行的航天器非常有(yǒu)效，但是对于未来的登月，火星及以后的飞行任務(wù)，这根本不可(kě)行。一艘太空船到达月球大约需要三天，而每磅的成本為(wèi)10,000美元，任何一个月球殖民(mín)地都会很(hěn)快成為(wèi)一项非常昂贵的任務(wù)。太空人员将需要制造自己的备件，工具和材料。因此，利用(yòng)普通原材料按需制造是必不可(kě)少的，一些研究人员正在探索使用(yòng)各种循环利用(yòng)的船上废料作為(wèi)原料。
首批太空3D打印机
到目前為(wèi)止，空间站已经收到了多(duō)个3D打印实验和3D打印系统平台。2014年秋天，NASA和Made In Space (MIS)使用(yòng)熔丝制造(FFF)打印机执行了第一次在轨制造演示，这是3D打印零重力技术演示任務(wù)的一部分(fēn)。一旦被安装到國(guó)际空间站的微重力科(kē)學(xué)手套箱(一个密封的调查设备)，打印机就立即开始工作，甚至还能(néng)打印出由指挥官巴里·"布奇"·威尔莫在國(guó)际空间站上打印的第一个扳手。
任務(wù)的主要目的是证明打印机的关键操作功能(néng)，并通过制造机械性能(néng)测试物(wù)品和功能(néng)性工具，通过FFF流程评估微重力对材料结果的影响，并最终演示遠(yuǎn)程命令。根据NASA的分(fēn)析，经过為(wèi)期四年的比较研究实验，航天局在國(guó)际空间站上并使用(yòng)地球上的3D打印机在模拟微重力下制造了工具和其他(tā)物(wù)體(tǐ)，所有(yǒu)物(wù)體(tǐ)的性能(néng)均相同。实际上，在已发表的研究中，研究人员指出，在基于物(wù)理(lǐ)的FFF过程模型中，微重力对材料结果没有(yǒu)显着影响。
3D打印任務(wù)成功地展示了太空制造的第一步。然而，MIS通过推出另一个商(shāng)业印刷设施，继续推进其地球外制造的愿景。这一次，AMF公司的增材制造工厂(AMF)已于2016年3月进入轨道，利用(yòng)三种不同的聚合物(wù):ABS塑料、绿色聚乙烯生物(wù)塑料和可(kě)用(yòng)于太空的PEI/PC塑料，已经為(wèi)各种商(shāng)业和私人客户额外制造了100多(duō)个独立部件。
由學(xué)生在未来工程师计划中设计的3D打印多(duō)功能(néng)工具，漂浮在國(guó)际空间站的增材制造设施的前面
利用(yòng)3D打印技术开发空间是这项技术的最终用(yòng)途。在地球上，AM与更老、更成熟的制造平台竞争。在太空领域，3D打印将成為(wèi)第一个、最可(kě)靠、性价比最高的全新(xīn)商(shāng)业领域的生产平台。3D打印在太空是一项使之成為(wèi)可(kě)能(néng)的技术，对人类探索低地球轨道(LEO)环境至关重要。通过对关键系统的一些修改，MIS能(néng)够证明AM与基于挤压的机器在微重力下的功能(néng)类似于它在地面上的功能(néng)，允许一个完整的概念证明。
但是，根据MIS的经验，使用(yòng)聚合物(wù)原料进行在轨AM并不会显示最终产品与地面产品的实质性差异。虽然这可(kě)以很(hěn)好地预测轨道上将产生什么，但科(kē)學(xué)家们认為(wèi)，使用(yòng)聚合物(wù)原料缺乏结构差异也可(kě)能(néng)会限制太空增幅材料在材料性能(néng)方面的优势。
或者，对于金属不是这种情况。金属AM在微重力下会改变产品的微观结构和孔隙率。由國(guó)际空间站美國(guó)國(guó)家实验室负责人，由太空科(kē)學(xué)发展中心（CASIS）组织的2020年虚拟增材制造研讨会中讨论空间制造的优势与局限性的专家小(xiǎo)组确定，在微重力下，熔池中缺乏对流驱动的混合会影响沉积过程中组成的元素混合/均匀性，以及冷却速率。因此，研究应考虑金属線(xiàn)（例如用(yòng)于定向能(néng)量沉积）或聚合物(wù)長(cháng)丝系统，以及“混合介质”产品，例如纤维增强塑料或金属線(xiàn)增强陶瓷。
“如果要在地球外建立可(kě)持续发展的存在，我们需要提出新(xīn)的材料，或者需要调整旧的材料以在微重力环境中使用(yòng)和减少，特别要注意环境，” NASA项目解释说。经理(lǐ)詹妮弗·埃德蒙森（Jennifer Edmunson）。 “因此，如果我们想要在月球表面能(néng)幸存的东西，则必须做好应对热变，辐射，微流星撞击和带静電(diàn)的月球表面的准备。如果新(xīn)材料能(néng)够在月球环境中生存，它们很(hěn)可(kě)能(néng)将在地球上生長(cháng)得很(hěn)好。”
专家认為(wèi)，在地面系统不能(néng)轻易转化為(wèi)微重力条件的情况下，有(yǒu)必要采用(yòng)新(xīn)颖的空间生产方法。為(wèi)原料开辟新(xīn)的选择，包括弹性體(tǐ)，泡沫和橡胶等软质材料；低粘度油墨；新(xīn)的聚合物(wù)选择，例如更長(cháng)的固化时间热固性材料，填充聚合物(wù)系统，连续纤维增强和半结晶聚合物(wù)。此外，有(yǒu)必要研究原位材料将如何转化為(wèi)合适的增材制造原料，尤其是对于其他(tā)行星體(tǐ)的原位资源利用(yòng)而言，太空人可(kě)以期望找到可(kě)能(néng)具有(yǒu)变质潜力的易碎石型材料。
國(guó)际空间站上的美國(guó)实验室
尽管ISS國(guó)家实验室是探索微重力下3D打印可(kě)能(néng)性的理(lǐ)想环境，但仍有(yǒu)许多(duō)未解决的问题。到目前為(wèi)止，太空机构和私人公司之间的协作和创新(xīn)方法一直使AM得以在太空中蓬勃发展。随着人类居住计划的扩展，其主要目的是探索比以往任何时候都更多(duō)的月球表面，这个独特的轨道实验室对于了解人类如何在長(cháng)期内可(kě)持续生活至关重要。
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