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3D资讯
首页 > 资讯中心山(shān)东青岛3D打印能(néng)促进太空探索
发布时间：2023-05-12
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解地球以外的事物(wù)。 NASA 和 ESA 等主要组织一直处于太空探索的前沿。 这场征服的另一个重要参与者是3D打印。 由于能(néng)够以低成本快速生产复杂零件，这种设计技术在公司中越来越受欢迎。 它使许多(duō)应用(yòng)的创建成為(wèi)可(kě)能(néng)，例如卫星、宇航服和火箭部件。 事实上，根据SmarTech的说法，到 2026 年，私人航天工业增材制造的市场价值预计将达到21亿欧元。这引出了一个问题：3D打印如何帮助人类在太空中更加突出？
最初，3D打印主要用(yòng)于医疗、汽車(chē)和航空航天领域的快速原型制作。 然而，随着技术的普及，它越来越多(duō)地用(yòng)于最终用(yòng)途部件。 金属增材制造技术，特别是激光粉末床熔合 (L-PBF)，已允许生产各种具有(yǒu)适用(yòng)于极端太空条件的特性和耐受性的金属。 其他(tā)3D打印技术，例如定向能(néng)量沉积 (DED)、粘合剂喷射和挤压工艺，也用(yòng)于制造航空航天部件。 近年来，出现了新(xīn)的商(shāng)业模式，Made in Space 和 Relativity Space 等公司使用(yòng)3D打印技术设计航空航天部件。
Relativity Space 為(wèi)航空航天业开发3D打印机
航空航天中的3D打印技术
既然我们已经介绍了它们，那么让我们更仔细地研究一下航空航天工业中使用(yòng)的各种3D打印技术。 首先，应该指出的是，金属增材制造，尤其是 L-PBF，是该领域应用(yòng)最广泛的。 这个过程涉及使用(yòng)激光能(néng)源将金属粉末逐层熔合在一起。 它特别适用(yòng)于生产小(xiǎo)型、复杂、精细和定制的零件。 航空航天制造商(shāng)也可(kě)以从DED中受益，它涉及沉积金属線(xiàn)或粉末，主要用(yòng)于修复、涂层或生产定制的金属或陶瓷部件。
相比之下，粘合剂喷射尽管在生产速度和低成本方面具有(yǒu)优势，但不适合生产具有(yǒu)高机械性能(néng)的零件。 这是因為(wèi)它需要后处理(lǐ)强化步骤，这会增加最终产品的制造时间。 挤压技术在太空环境中也很(hěn)有(yǒu)效。 需要注意的是，并非所有(yǒu)的聚合物(wù)都适合在太空中使用(yòng)，但 PEEK 等高性能(néng)塑料凭借其强度可(kě)以替代部分(fēn)金属部件。 然而，这种3D打印工艺仍然不太普及，但它可(kě)以通过使用(yòng)新(xīn)材料成為(wèi)太空探索的宝贵资产。
粉末床上的激光融合是航空航天3D打印中广泛使用(yòng)的工艺
空间材料的潜力
航空航天业一直在利用(yòng)3D打印探索新(xīn)材料，并提出可(kě)能(néng)改变市场的创新(xīn)替代品。 虽然钛、铝和铬镍铁合金等金属一直是主要关注点，但有(yǒu)一种新(xīn)材料可(kě)能(néng)很(hěn)快就会成為(wèi)焦点：月球风化层。 月球风化层是一种覆盖月球的尘埃，欧洲航天局已经展示了将其与3D打印相结合的好处。 欧洲航天局高级制造工程师 Advenit Makaya 将月球风化层描述為(wèi)类似于混凝土，主要由硅和其他(tā)化學(xué)元素（如铁、镁和铝）以及氧气组成。 ESA与Lithoz合作，使用(yòng)模仿真实月球尘埃特性的月球风化层模拟物(wù)生产了螺丝和齿轮等小(xiǎo)型功能(néng)部件。
月球风化层制造所涉及的大部分(fēn)过程都使用(yòng)热量，使其与SLS等技术和使用(yòng)粉末粘合工艺的印刷解决方案兼容。 ESA还在使用(yòng)D-Shape 技术，目标是将氯化镁与材料混合，通过将其与模拟物(wù)中存在的氧化镁结合来制造固體(tǐ)部件。 这种月球材料的显着优势之一是其更精细的打印分(fēn)辨率，使其能(néng)够生产出精度最高的零件。 这一特性可(kě)能(néng)是扩大适用(yòng)于未来月球基地的应用(yòng)和制造组件范围的主要资产。
月球风化层随处可(kě)见
还有(yǒu)火星风化层，指的是在火星上发现的表面物(wù)质。 目前，國(guó)际航天机构无法回收这种物(wù)质，但这并没有(yǒu)阻止科(kē)學(xué)家研究其在某些航空航天项目中的潜力。 研究人员正在使用(yòng)这种材料的模拟物(wù)并将其与钛合金结合，以期制造工具或火箭零件。 初步结果表明，这种材料将提供更高的强度并保护设备免受生锈和辐射损坏。 尽管这两种材料具有(yǒu)相似的特性，但月球风化层仍然是最受考验的材料。 另一个优势是这些材料可(kě)以直接在现场制造，无需从地球运输原材料。 此外，风化层是取之不尽、用(yòng)之不竭的材料来源，有(yǒu)助于防止短缺。
3D打印在航天领域的不同应用(yòng)
3D打印技术的应用(yòng)可(kě)以根据所使用(yòng)的具體(tǐ)工艺而有(yǒu)所不同。 例如，激光熔化粉末床工艺可(kě)用(yòng)于制造精细的短期零件，例如工具系统或空间备件。 一家名為(wèi) Launcher 的加利福尼亚初创公司使用(yòng)Velo3D的蓝宝石金属3D打印技术来增强其 E-2 液體(tǐ)火箭发动机。 制造商(shāng)的工艺被用(yòng)来制造感应涡轮，它在加速和驱动 LOX（液氧）进入燃烧室方面起着关键作用(yòng)。 涡轮机和感应器分(fēn)别使用(yòng)3D打印技术打印出来，然后进行组装。 这一创新(xīn)部件為(wèi)火箭提供更大的流體(tǐ)流量和更大的推力，使其成為(wèi)发动机的重要组成部分(fēn)。
Velo3D 為(wèi)使用(yòng)PBF技术制造E-2液體(tǐ)发动机做出了贡献
增材制造具有(yǒu)广泛的应用(yòng)，包括小(xiǎo)型和大型结构的生产。 例如，Relativity Space 的 Stargate 解决方案等3D打印技术可(kě)用(yòng)于制造大型零件，例如火箭油箱和螺旋桨叶片。 Relativity Space 已经通过生产 Terran 1 成功地证明了这一点，Terran 1 是一种几乎完全由3D打印而成的火箭，包括一个几米大的燃料箱。 其首次发射于2023年3月23日，展示了增材制造工艺的效率和可(kě)靠性。
基于挤压的3D打印技术还允许使用(yòng) PEEK 等高性能(néng)材料来生产零件。 由这种热塑性塑料制成的部件已经在太空中进行了测试，并作為(wèi)阿联酋月球任務(wù)的一部分(fēn)被放置在拉希德漫游車(chē)上。 该测试的目的是评估PEEK对月球极端条件的耐受性。 如果成功，PEEK 有(yǒu)可(kě)能(néng)在金属部件断裂或材料稀缺的情况下取代金属部件。 此外，PEEK 的轻质特性在太空探索中可(kě)能(néng)具有(yǒu)重要价值。
3D打印可(kě)以為(wèi)航空航天业制造许多(duō)零件
3D打印在航空航天领域的优势
3D打印是一项极具吸引力的技术，与传统构造技术相比具有(yǒu)优势，尤其是在零件的最终外观方面。 奥地利3D打印机制造商(shāng)Lithoz的首席执行官 Johannes Homa 表示，“这项技术使零件更轻。” 由于设计自由，3D打印产品效率更高，需要的资源更少。 这对零件生产的环境影响产生积极影响。 Relativity Space 已经证明，增材制造可(kě)以显着减少制造航天器所需的组件数量。 就 Terran 1火箭而言，节省了100个零件。 此外，这项技术在生产速度方面具有(yǒu)显着优势，火箭在不到 60 天内完成。 相比之下，使用(yòng)传统方法制造火箭可(kě)能(néng)需要数年时间。
在资源管理(lǐ)方面，3D打印可(kě)以节省材料，在某些情况下还可(kě)以回收废物(wù)。 最后，增材制造可(kě)能(néng)成為(wèi)减轻火箭起飞重量的宝贵资产。 目标是最大限度地利用(yòng)当地材料，例如风化层，并尽量减少航天器中材料的运输。 这使得仅携带3D打印机成為(wèi)可(kě)能(néng)，它可(kě)以在旅行结束后在现场创建所有(yǒu)内容。
Made in Space已经将其中一台3D打印机送入太空进行测试
太空3D打印的局限性
尽管3D打印具有(yǒu)许多(duō)优势，但该技术仍然相对较新(xīn)并且有(yǒu)其局限性，Advenit Makaya 表示，“航空航天领域增材制造的主要问题之一是流程的控制和验证。” 制造商(shāng)可(kě)以进入实验室，在验证之前可(kě)以对每个零件的强度、可(kě)靠性和微观结构进行测试，这一过程称為(wèi)无损检测 (NDI)。 然而，这可(kě)能(néng)既耗时又(yòu)昂贵，因此最终目标是减少对这些测试的需求。 NASA 最近成立了一个中心来解决这个问题，专注于对增材制造金属部件的快速认证。 该中心旨在使用(yòng)数字孪生改进产品的计算机模型，这将帮助工程师更好地了解零件的性能(néng)和局限性，包括它们在断裂前可(kě)以承受多(duō)大的压力。 通过这样做，该中心有(yǒu)望帮助促进3D打印在航空航天工业中的应用(yòng)，使其能(néng)够更有(yǒu)效地与传统制造技术竞争。
这些部件经过了全面的可(kě)靠性和强度测试
另一方面，如果制造是在太空中完成的，验证过程就不同了。 ESA 的 Advenit Makaya 解释说：“有(yǒu)一种技术包括在零件打印时对其进行分(fēn)析。” 此方法有(yǒu)助于确定哪些印刷产品适用(yòng)，哪些不可(kě)用(yòng)。 此外，还有(yǒu)一个用(yòng)于太空的3D打印机的自我校正系统，正在金属机器上进行测试。 该机器可(kě)以识别制造过程中的潜在错误，并自动更改其参数以纠正零件中的任何缺陷。 这两个系统有(yǒu)望提高印刷产品在太空中的可(kě)靠性。
為(wèi)验证3D打印解决方案，NASA 和 ESA 制定了标准。 这些标准包括要对零件执行以确定其可(kě)靠性的一系列测试。 它们考虑了粉末床融合技术，并正在针对其他(tā)工艺进行更新(xīn)。 然而，材料行业的许多(duō)主要参与者，如 Arkema、BASF、Dupont 和 Sabic，也提供这种可(kě)追溯性。
生活在太空？
随着3D打印技术的进步，我们在地球上看到了许多(duō)成功的项目，其中使用(yòng)该技术建造房屋。 它让我们想知道，在不久或遥遠(yuǎn)的将来，这个过程是否可(kě)以用(yòng)来建造太空中的可(kě)居住结构。 虽然目前居住在太空中不切实际，但建造房屋，尤其是在月球上建造房屋，对执行太空任務(wù)的宇航员来说是有(yǒu)益的。 欧洲航天局 (ESA) 的目标是使用(yòng)月球风化层在月球上建造圆顶，可(kě)用(yòng)于建造墙壁或砖块以保护宇航员免受辐射。 根据 ESA 的 Advenit Makaya 的说法，月球风化层由大约 60% 的金属和 40% 的氧气组成，是宇航员生存必不可(kě)少的材料，因為(wèi)如果从这种材料中提取，它可(kě)以提供取之不尽的氧气来源。
NASA 已向 ICON 拨款 5720 万美元，用(yòng)于开发用(yòng)于月球表面建造的3D打印系统，并且还与该公司合作创建一个名為(wèi)Mars Dune Alpha的火星家园。 目标是测试火星上的生活条件，让志(zhì)愿者在家里生活一年，以模拟红色星球上的条件。 这些努力代表了直接在月球和火星上建造3D打印结构的重要步骤，这最终可(kě)能(néng)為(wèi)人类太空殖民(mín)铺平道路。
在遥遠(yuǎn)的未来，这些房子可(kě)以让生命在太空中生存
最初，3D打印主要用(yòng)于医疗、汽車(chē)和航空航天领域的快速原型制作。 然而，随着技术的普及，它越来越多(duō)地用(yòng)于最终用(yòng)途部件。 金属增材制造技术，特别是激光粉末床熔合 (L-PBF)，已允许生产各种具有(yǒu)适用(yòng)于极端太空条件的特性和耐受性的金属。 其他(tā)3D打印技术，例如定向能(néng)量沉积 (DED)、粘合剂喷射和挤压工艺，也用(yòng)于制造航空航天部件。 近年来，出现了新(xīn)的商(shāng)业模式，Made in Space 和 Relativity Space 等公司使用(yòng)3D打印技术设计航空航天部件。
Relativity Space 為(wèi)航空航天业开发3D打印机
航空航天中的3D打印技术
既然我们已经介绍了它们，那么让我们更仔细地研究一下航空航天工业中使用(yòng)的各种3D打印技术。 首先，应该指出的是，金属增材制造，尤其是 L-PBF，是该领域应用(yòng)最广泛的。 这个过程涉及使用(yòng)激光能(néng)源将金属粉末逐层熔合在一起。 它特别适用(yòng)于生产小(xiǎo)型、复杂、精细和定制的零件。 航空航天制造商(shāng)也可(kě)以从DED中受益，它涉及沉积金属線(xiàn)或粉末，主要用(yòng)于修复、涂层或生产定制的金属或陶瓷部件。
相比之下，粘合剂喷射尽管在生产速度和低成本方面具有(yǒu)优势，但不适合生产具有(yǒu)高机械性能(néng)的零件。 这是因為(wèi)它需要后处理(lǐ)强化步骤，这会增加最终产品的制造时间。 挤压技术在太空环境中也很(hěn)有(yǒu)效。 需要注意的是，并非所有(yǒu)的聚合物(wù)都适合在太空中使用(yòng)，但 PEEK 等高性能(néng)塑料凭借其强度可(kě)以替代部分(fēn)金属部件。 然而，这种3D打印工艺仍然不太普及，但它可(kě)以通过使用(yòng)新(xīn)材料成為(wèi)太空探索的宝贵资产。
粉末床上的激光融合是航空航天3D打印中广泛使用(yòng)的工艺
空间材料的潜力
航空航天业一直在利用(yòng)3D打印探索新(xīn)材料，并提出可(kě)能(néng)改变市场的创新(xīn)替代品。 虽然钛、铝和铬镍铁合金等金属一直是主要关注点，但有(yǒu)一种新(xīn)材料可(kě)能(néng)很(hěn)快就会成為(wèi)焦点：月球风化层。 月球风化层是一种覆盖月球的尘埃，欧洲航天局已经展示了将其与3D打印相结合的好处。 欧洲航天局高级制造工程师 Advenit Makaya 将月球风化层描述為(wèi)类似于混凝土，主要由硅和其他(tā)化學(xué)元素（如铁、镁和铝）以及氧气组成。 ESA与Lithoz合作，使用(yòng)模仿真实月球尘埃特性的月球风化层模拟物(wù)生产了螺丝和齿轮等小(xiǎo)型功能(néng)部件。
月球风化层制造所涉及的大部分(fēn)过程都使用(yòng)热量，使其与SLS等技术和使用(yòng)粉末粘合工艺的印刷解决方案兼容。 ESA还在使用(yòng)D-Shape 技术，目标是将氯化镁与材料混合，通过将其与模拟物(wù)中存在的氧化镁结合来制造固體(tǐ)部件。 这种月球材料的显着优势之一是其更精细的打印分(fēn)辨率，使其能(néng)够生产出精度最高的零件。 这一特性可(kě)能(néng)是扩大适用(yòng)于未来月球基地的应用(yòng)和制造组件范围的主要资产。
月球风化层随处可(kě)见
还有(yǒu)火星风化层，指的是在火星上发现的表面物(wù)质。 目前，國(guó)际航天机构无法回收这种物(wù)质，但这并没有(yǒu)阻止科(kē)學(xué)家研究其在某些航空航天项目中的潜力。 研究人员正在使用(yòng)这种材料的模拟物(wù)并将其与钛合金结合，以期制造工具或火箭零件。 初步结果表明，这种材料将提供更高的强度并保护设备免受生锈和辐射损坏。 尽管这两种材料具有(yǒu)相似的特性，但月球风化层仍然是最受考验的材料。 另一个优势是这些材料可(kě)以直接在现场制造，无需从地球运输原材料。 此外，风化层是取之不尽、用(yòng)之不竭的材料来源，有(yǒu)助于防止短缺。
3D打印在航天领域的不同应用(yòng)
3D打印技术的应用(yòng)可(kě)以根据所使用(yòng)的具體(tǐ)工艺而有(yǒu)所不同。 例如，激光熔化粉末床工艺可(kě)用(yòng)于制造精细的短期零件，例如工具系统或空间备件。 一家名為(wèi) Launcher 的加利福尼亚初创公司使用(yòng)Velo3D的蓝宝石金属3D打印技术来增强其 E-2 液體(tǐ)火箭发动机。 制造商(shāng)的工艺被用(yòng)来制造感应涡轮，它在加速和驱动 LOX（液氧）进入燃烧室方面起着关键作用(yòng)。 涡轮机和感应器分(fēn)别使用(yòng)3D打印技术打印出来，然后进行组装。 这一创新(xīn)部件為(wèi)火箭提供更大的流體(tǐ)流量和更大的推力，使其成為(wèi)发动机的重要组成部分(fēn)。
Velo3D 為(wèi)使用(yòng)PBF技术制造E-2液體(tǐ)发动机做出了贡献
增材制造具有(yǒu)广泛的应用(yòng)，包括小(xiǎo)型和大型结构的生产。 例如，Relativity Space 的 Stargate 解决方案等3D打印技术可(kě)用(yòng)于制造大型零件，例如火箭油箱和螺旋桨叶片。 Relativity Space 已经通过生产 Terran 1 成功地证明了这一点，Terran 1 是一种几乎完全由3D打印而成的火箭，包括一个几米大的燃料箱。 其首次发射于2023年3月23日，展示了增材制造工艺的效率和可(kě)靠性。
基于挤压的3D打印技术还允许使用(yòng) PEEK 等高性能(néng)材料来生产零件。 由这种热塑性塑料制成的部件已经在太空中进行了测试，并作為(wèi)阿联酋月球任務(wù)的一部分(fēn)被放置在拉希德漫游車(chē)上。 该测试的目的是评估PEEK对月球极端条件的耐受性。 如果成功，PEEK 有(yǒu)可(kě)能(néng)在金属部件断裂或材料稀缺的情况下取代金属部件。 此外，PEEK 的轻质特性在太空探索中可(kě)能(néng)具有(yǒu)重要价值。
3D打印可(kě)以為(wèi)航空航天业制造许多(duō)零件
3D打印在航空航天领域的优势
3D打印是一项极具吸引力的技术，与传统构造技术相比具有(yǒu)优势，尤其是在零件的最终外观方面。 奥地利3D打印机制造商(shāng)Lithoz的首席执行官 Johannes Homa 表示，“这项技术使零件更轻。” 由于设计自由，3D打印产品效率更高，需要的资源更少。 这对零件生产的环境影响产生积极影响。 Relativity Space 已经证明，增材制造可(kě)以显着减少制造航天器所需的组件数量。 就 Terran 1火箭而言，节省了100个零件。 此外，这项技术在生产速度方面具有(yǒu)显着优势，火箭在不到 60 天内完成。 相比之下，使用(yòng)传统方法制造火箭可(kě)能(néng)需要数年时间。
在资源管理(lǐ)方面，3D打印可(kě)以节省材料，在某些情况下还可(kě)以回收废物(wù)。 最后，增材制造可(kě)能(néng)成為(wèi)减轻火箭起飞重量的宝贵资产。 目标是最大限度地利用(yòng)当地材料，例如风化层，并尽量减少航天器中材料的运输。 这使得仅携带3D打印机成為(wèi)可(kě)能(néng)，它可(kě)以在旅行结束后在现场创建所有(yǒu)内容。
Made in Space已经将其中一台3D打印机送入太空进行测试
太空3D打印的局限性
尽管3D打印具有(yǒu)许多(duō)优势，但该技术仍然相对较新(xīn)并且有(yǒu)其局限性，Advenit Makaya 表示，“航空航天领域增材制造的主要问题之一是流程的控制和验证。” 制造商(shāng)可(kě)以进入实验室，在验证之前可(kě)以对每个零件的强度、可(kě)靠性和微观结构进行测试，这一过程称為(wèi)无损检测 (NDI)。 然而，这可(kě)能(néng)既耗时又(yòu)昂贵，因此最终目标是减少对这些测试的需求。 NASA 最近成立了一个中心来解决这个问题，专注于对增材制造金属部件的快速认证。 该中心旨在使用(yòng)数字孪生改进产品的计算机模型，这将帮助工程师更好地了解零件的性能(néng)和局限性，包括它们在断裂前可(kě)以承受多(duō)大的压力。 通过这样做，该中心有(yǒu)望帮助促进3D打印在航空航天工业中的应用(yòng)，使其能(néng)够更有(yǒu)效地与传统制造技术竞争。
这些部件经过了全面的可(kě)靠性和强度测试
另一方面，如果制造是在太空中完成的，验证过程就不同了。 ESA 的 Advenit Makaya 解释说：“有(yǒu)一种技术包括在零件打印时对其进行分(fēn)析。” 此方法有(yǒu)助于确定哪些印刷产品适用(yòng)，哪些不可(kě)用(yòng)。 此外，还有(yǒu)一个用(yòng)于太空的3D打印机的自我校正系统，正在金属机器上进行测试。 该机器可(kě)以识别制造过程中的潜在错误，并自动更改其参数以纠正零件中的任何缺陷。 这两个系统有(yǒu)望提高印刷产品在太空中的可(kě)靠性。
為(wèi)验证3D打印解决方案，NASA 和 ESA 制定了标准。 这些标准包括要对零件执行以确定其可(kě)靠性的一系列测试。 它们考虑了粉末床融合技术，并正在针对其他(tā)工艺进行更新(xīn)。 然而，材料行业的许多(duō)主要参与者，如 Arkema、BASF、Dupont 和 Sabic，也提供这种可(kě)追溯性。
生活在太空？
随着3D打印技术的进步，我们在地球上看到了许多(duō)成功的项目，其中使用(yòng)该技术建造房屋。 它让我们想知道，在不久或遥遠(yuǎn)的将来，这个过程是否可(kě)以用(yòng)来建造太空中的可(kě)居住结构。 虽然目前居住在太空中不切实际，但建造房屋，尤其是在月球上建造房屋，对执行太空任務(wù)的宇航员来说是有(yǒu)益的。 欧洲航天局 (ESA) 的目标是使用(yòng)月球风化层在月球上建造圆顶，可(kě)用(yòng)于建造墙壁或砖块以保护宇航员免受辐射。 根据 ESA 的 Advenit Makaya 的说法，月球风化层由大约 60% 的金属和 40% 的氧气组成，是宇航员生存必不可(kě)少的材料，因為(wèi)如果从这种材料中提取，它可(kě)以提供取之不尽的氧气来源。
NASA 已向 ICON 拨款 5720 万美元，用(yòng)于开发用(yòng)于月球表面建造的3D打印系统，并且还与该公司合作创建一个名為(wèi)Mars Dune Alpha的火星家园。 目标是测试火星上的生活条件，让志(zhì)愿者在家里生活一年，以模拟红色星球上的条件。 这些努力代表了直接在月球和火星上建造3D打印结构的重要步骤，这最终可(kě)能(néng)為(wèi)人类太空殖民(mín)铺平道路。
在遥遠(yuǎn)的未来，这些房子可(kě)以让生命在太空中生存