3D打印机攻入太空

作者:上海市宇航学会 来源:网络 2015-03-27 00:00
太空探索技术公司的“龙”货运飞船
       2014年9月21日,美国航宇局(NASA)的首台针对零重力环境设计的3D打印机搭载太空探索技术公司“龙”货运飞船发射升空,随后顺利到达国际空间站,并对接成功。
       首台太空3D打印机的诞生
       对于全世界3S打印爱好者而言,一段激动人心的帷幕在徐徐开启。作为首台在外太空运行的3D打印机,零重力3D打印机可能有很多事情要做,最重要的是检验打印机是否能够经受信外太空严酷环境的考验,成为人类在外层空间生存的重要的生存工具。NASA声称,这是为了满足未来零件能在空间按需制造的需求。
       这台3D打印机的生产商是太空制造公司(Made in Space)。太空制造公司与美国航宇局马歇尔太空飞行中心合作进行3D零重力打印实验,旨在开发地球之外生产制造能力。
       这台上太空的3D打印机经受了严格微重力环境下的试验。早在2011年,太空制造公司就在零重力环境下对多项3D打印技术进行了测试。到上天前,该公司对太空3D打印机进行了400多次微重力抛物线试验。
首台零重力3D打印机搭乘“龙”货运飞船升空
       因为3D打印机的工作方式是通过喷射塑料层从而叠加成一个完整的物件,而在基本没有重力的情况下,不会有向下的引力让材料下沉后互相结合。在飞行试验中,零重力飞机会以抛物线轨迹来模拟出接近零重力的环境。在微重力的条件下,打印出来的物品与在地球上的相比主要区别在于浓度。经过一系列改进之后,打印机在微重力环境下喷射出的塑料浓度已经能达到和地球环境同样水平。
       发热则是另外一个可能遇到的问题,因为热量在微策略环境下传播也不同于平常,可能导致热敏材料温度过高或过低,这样都会让3D打印机无法正常工作。
       3D打印机在被发射上天之前,在美国航宇局经受了20000小时的打印测试,直到发射不久前才完成。打印机在测试中的表现良好,被提前交付。
零重力条件下测试打印机
       首发太空的这台3D打印机,大约有30厘米高、24厘米宽、38厘米长,与小型微波炉大小差不多,它被安装在空间站的微重力科学手套箱(MSG)里。设备被安装在轨道实验室后,要通过一系列的测试,通过测试帮助美国航宇局了解增材制造(addytive manufacturing)——俗称3D打印,通过演示3D打印零部件或工具,了解3D打印是否具备了在零重力环境下打印出准确、坚固物体的能力,是否在太空切实可靠。
       讳莫如深的太空3D打印
       这款3D打印机是针对零重力环境下设计的,是为了测试航天员在微重力下自主制造零部件和工具的可行性。设计这台机器的太空制造公司一直未透露准备打印什么,只说:“我们想打印有重要意义的东西,而不只是玩意儿,要打印的一定是有实用功能的”。
太空探索技术公司专家在车间装配首发太空的3D打印机
       美国航宇局马歇尔航天飞行中心国际空间站3D打印项目主管尼基·韦克海泽谈到,“在太空轨道,当你需要什么时,3D打印机就能做出来,它真正是游戏规则的改变者。这第一台3D打印机发送至国际空间站是为了技术演示,因为国际空间站是太空微重力环境下,目前我们在太空上进行完整测试的唯一实验室和能打印整个零部件的唯一平台”。
       这台微波炉大小的3D打印机使用ABS塑料,即生产乐高积木的材料,可以打印10厘米×5厘米大小的物品。
       首台太空3D打印机将用于制造测试样本,之后用于制造一系列的零部件,例如各种工具和科学仪器。最初目标很简单,通过打印技术演示了解在微重力环境下3D打印机是如何工作,了解在成为最终产品的过程中材料是如何变化的。
       太空制造公司网站上写着“伴随地球之外制造时代开启,首个打印出的零部件或产品不管是什么,会有一天,它将被认为具有历史性意义”。
       首个太空3D打印件诞生
       被送上国际空间站的这台3D打印机于2014年11月17日由航天员巴里·维尔莫安装在国际空间站“微重力科学手套箱内”。
       3D打印机压制材质选用熔点较低的塑胶,为了避免功能异常带来的人员伤害,全程在手套箱中试验。美国航宇局在2014年11月19日表示3D打印机在微重力状态下能正常运作。11月24日美国航宇局在国际空间站运用3D打印技术成功打印出了首个部件,尺寸为7.6厘米×3.8厘米×0.6厘米,印着“太空制造∕NASA”字样的铭牌。打印工作花了1个小时。至此,首个太空3D打印件诞生了。
       负责人尼基·韦克海泽表示:“这第一份作品是在地球以外实现3D打印批量化的重要一步”。
随“龙”货运飞船升空的太空3D打印机
       3D打印项目第一阶段的主要目标是在轨鉴定3D打印技术,保证其能像在地面上一样正常工作。空间站上打印出的试制品将和同类样品进行比较。在太空3D打印机制造出来的物件是否和在地面上制造的一样精确,需送回地球,供专家进行测试研究。这第一件太空3D打印作品将于2015年初,被送返地球。国际空间站上的3D打印机已利用从地面上传的设计文件打印出一只扳手,结束了其第一阶段在轨试运行工作。这只扳手也将在2015年初一同送回地面,并与该打印机发射前在地面上制作的物品进行比较。NASA试验采用地面上传设计是为了证实能实现按需打印,而这对于飞往火星的长期旅行至关重要。扳手设计和安全性审核等工作只用了不到一周时间,站上打印工作用了不到4个小时。第二阶段度运行工作应会在2015年初启动。项目的第二阶段将把重点放在站上打印件的实际使用上。
这次打印让NASA知道了在微重力环境下,零配件比在地球上更粘打印托盘,这可能在轨道上的国际空间站中的塑料层粘合剂不同造成的。
       具有重要意义的一步
       美国航宇局测试太空3D打印的目的是将从地球向太空运送零部件和工具的次数降至最低,加快空间站的自给自足。美国航宇局对3D打印抱有很高的期望,认为这项技术可降低航天飞行成本,并为更大胆的载人探测任务创造条件。太空探索技术公司也认为这项技术具有光明的前景。
       零微型车23D打印机被设计成大部分操作由地面操控。航天员唯一真正要做的工作就是移走完成的打印,重置下一个打印机项目。
       尼基·韦克海泽表示,“我们设计在微重力环境下打印的零部件时,不需再考虑发射载荷的问题”。
       尼基·韦克海泽描述谈到,“我们能够从地面直接上传文件至打印机,太空探索技术公司也能在加利福尼亚的办公室用便携电脑发出指令。此外,从阿拉巴马亨茨维尔航天地面控制中心也可直接发送指令或邮件到打印机,把打印物体的设计蓝图传给航天员,让他们直接打印出即可,而不用像现在这样,每次都要发射火箭把所需的设备(如培养皿)送给航天员。当我们能够通过上传指令或邮件制造出零部件从而取代通过发射送到太空轨道,你能想象这是一件多酷的事情”!
微重力科学手提箱  航天员在微重力科学手提箱中安装打印机
       未来前景
       太空探索技术公司CEO艾伦·马斯克说,“3D打印实验是美国航宇局未来重点发展方向之一,3D打印零配件和工具增强了太空任务的可靠性和安全性,同时能够有效降低制造成本”。
       尼基·韦克海泽说,“3D打印是一项令人兴奋的技术,它将使我们的太空生活和工作具有地球相同的效率和生产能力,我们最终目标是消除对地球材料和零配件的依赖性”。
       美国航宇局局长查尔斯·博尔登表示,“美国航宇局将继续探索太空,无论是对小行星进行定位或将人类送至火星,我们需要革命性的技术,以减少运载货物的航天器的质量和体积”,“未来,航天员或许能够在空间打印出他们所需的工具或部件”。
       太空探索技术公司和美国航宇局团队设想,未来3D打印可实现在太空制造整个航天器,空间任务所需物资几乎能自给自足,且能够在太空中制造多数他们所需的零件等。
首个太空3D打印件正式出炉
       除了用于在轨航天器的设计制造外,3D打印设备还可与机器人系统一起工作,为人类登上火星,以及在其他行星上执行任务制造所需的住所和工具。住所和实验室也可由机器人通过打印建造构件来制造,这些建造构件可利用行星上的资源,如土壤或矿物来实现。长期执行空间任务的航天员也可打印和回收他们所需的工具,可节省大量的资源。
       设想,未来的太空旅行中,许多物品无需在飞船发射时就准备好,可以等需要的时候打印出来。此外,在地球重力环境下制造的物品未必适用于太空零重力环境,而太空打印可以解决这个问题。
       目前,太空探索技术公司与美国航宇局马歇尔太空飞行中心建立合作关系,共同完成3D打印零重力实验(简称3D打印实验),将开启太空制造能力,帮助人类未来在太阳系其它星球建立殖民基地。该团队甚至还有另外一个创意,他们想把3D打印机器人发送到火星或月球,然后利用上面的土壤材料开发未来建筑。
在轨运行的国际空间站
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