3d打印对太空探索的作用

自20世纪以来，人类一直着迷于探索太空和了解地球之外的事物。美国国家航空航天局(NASA)和欧洲航天局(ESA)等主要组织一直处于太空探索的前沿。在这一过程中，另一个重要的参与者是3D打印。由于能够低成本、快速生产复杂零件，3D打印技术越来越受欢迎。它被创造性应用于卫星、宇航服和火箭部件的制造和生产。事实上，据Smar Tech称，到2026年，私营航天行业增材制造的市场价值预计将达到21亿欧元。这就引出了一个问题：3D打印如何帮助人类在太空中更进一步？ 最初，3D打印主要用于医疗、汽车和航空航天领域的快速原型制作。然而，随着3D打印技术的大众化，它越来越多用于最终用途零件。金属增材制造技术，特别是L-PBF（激光粉末床熔合），可以生产各种具有适应太空极端条件性能和耐受性的金属。其他3D打印技术，如DED(定向能量沉积)、黏结剂喷射和挤压技术，也被用于制造航空航天部件。 Relativity Space 为航空航天工业开发 3D 打印机

航空航天领域的3D技术

L-PBF（激光粉末床熔合）在航空航天领域中应用最为广泛。这一过程涉及使用激光能量将金属粉末一层一层熔合在一起。它特别适用于小型、复杂、精细和定制零件的生产。航空航天制造也可以从DED(定向能量沉积)中受益，该技术涉及用沉积金属丝或粉末修复、涂覆或生产定制金属或陶瓷零件。

相比之下，黏结剂喷射尽管在生产速度和成本方面具有优势，但不适合生产机械性能高的零件。这是因为它需要后处理加固步骤，从而增加了最终产品的制造时间。挤压技术在太空环境中也很有效。尽管这种3D打印技术还不太普遍，但通过使用PEEK（聚醚醚酮）等高性能塑料替代一些金属部件，它可能成为太空探索的宝贵资产。

激光粉末床融合是航空航天 3D 打印中广泛使用的工艺

太空材料的潜力

航空航天业一直在利用3D打印来探索新材料并提出可能改变市场的创新替代产品。月球风化层——一种覆盖在月球表面的尘埃，可能很快会成为新的焦点。欧洲航天局的高级制造工程师Advenit Makaya将月球风化层描述为类似于混凝土，主要由硅和铁、镁、铝等其他化学元素以及氧气组成。通过与Lithoz合作，欧洲航天局使用模拟真实月球尘埃特性的月球风化层模拟物生产了螺钉和齿轮等小型功能部件。

利用月球风化层制造的大多数工艺都需要热量，这使得它与SLS（选择性激光烧结技术）和使用粉末粘合技术的打印解决方案兼容。欧洲航天局还在研究D-Shape技术，目标是将氯化镁与材料混合，通过与模拟物中存在的氧化镁相结合来制造固体部件。这种月球材料的显著优势之一是其更精细的打印分辨率，使其能够生产最高精度的零件。这一特性可能使之成为扩大应用范围和制造适合未来月球基地部件的重要资产。

3D打印在航空航天中的不同应用

增材制造具有广泛的应用，包括小型和大型部件的生产。3D打印技术可用于制造大型部件，如火箭坦克和螺旋桨叶片。美国相对论空间公司通过生产“人族1号”（Terran1）已经成功证明了这一点。这是一种几乎完全是3D打印的火箭，它于2023年3月23日进行首次发射，展示了增材制造技术的效率和可靠性。

挤压式3D打印技术还允许使用PEEK等高性能材料来生产零件。由这种热塑性塑料制成的部件已经在太空中进行了测试，并作为阿联酋登月任务的一部分安装在拉希德号月球车上。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可能会在金属部件破损或材料稀缺的情况下取代它们。此外，PEEK的轻质特性在太空探索中可能具有价值。

3D 打印使得为航空航天业制造许多零件成为可能

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优势，特别是在零件的最终外观方面。奥地利3D打印机制造商Lithoz首席执行官Johannes Homa表示，“这项技术使零件变得更轻。”由于设计自由，印刷产品效率更高，需要的资源更少。这对零件生产的环境影响产生积极影响。相对论空间公司已经证明增材制造可以明显减少制造航天器所需的组件数量，如“人族1号”火箭节省了100个零件。此外，该技术在生产速度方面具有明显优势，火箭在不到60天的时间内完成。相比之下，使用传统方法建造火箭可能需要数年时间。

在资源管理方面，3D打印可以节省材料，在某些情况下还可以回收废物。最后，增材制造可能成为减轻火箭起飞重量的宝贵资产。目标是最大限度地利用当地材料，例如风化层，并最大限度地减少航天器中材料的运输。这样就可以只携带3D打印机，在航行完成后现场创建所有东西。

Made in Space 已将其一台打印机送入太空进行测试

太空3D打印的局限性

尽管3D打印具有许多优点，但该技术仍然相对较新，并且有其局限性，Advenit Makaya表示，“航空航天领域增材制造的主要问题之一是过程的控制和验证。”制造商可以进入实验室，在验证之前对每个零件进行强度、可靠性和微观结构测试，这一过程称为无损检测(NDI)。然而，这可能既耗时又昂贵，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，重点关注增材制造金属零件的快速认证。该中心旨在使用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功能和局限性，包括它们在断裂之前可以承受多少压力。通过这样做，该中心预计将有助于促进3D打印在航空航天业的应用，使其与传统制造技术相比更具竞争优势。

另一方面，如果制造是在太空中完成的，验证过程就会有所不同。ESA的Advenit Makaya解释道：“有一种技术可以在打印零件时对其进行分析。”此方法有助于确定哪些印刷产品适合，哪些印刷产品不可用。此外，还有一种用于太空3D打印机的自我校正系统，该系统正在金属机器上进行测试。该机器可以识别制造过程中的潜在错误，并自动改变其参数以纠正零件中的任何缺陷。这两个系统有望提高太空印刷产品的可靠性。

这些零件经过了彻底的可靠性和强度测试

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使用该技术建造房屋的成功项目。这让我们想知道，在不久或遥远的将来，这个过程是否可以用于在太空中建造可居住的结构。虽然目前在太空生活并不现实，但建造房屋，特别是在月球上，对于执行太空任务的宇航员来说将是有益的。欧洲航天局（ESA）的目标是利用月球风化层在月球上建造圆顶，这些风化层可用于建造墙壁或砖块以保护宇航员免受辐射。欧空局的Advenit Makaya表示，月球风化层由约60%的金属和40%的氧气组成，是宇航员生存的重要材料，因为如果从该材料中提取，它可以提供取之不尽的氧气来源。

NASA已向ICON拨款5720万美元，用于开发用于月球表面建造的3D打印系统，并且还与该公司合作创建一个火星家园，名为Mars Dune Alpha。目标是测试火星上的生活条件，让志愿者在家中生活一年，以模拟这颗红色星球上的条件。这些努力代表了直接在月球和火星上建造3D打印结构的重要一步，这最终可能为人类殖民太空铺平道路。

在遥远的未来，这些房屋可以在太空中孕育生命

审核编辑：黄飞