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首頁 > 資訊中心微重力下青島3D打印用于太空探索
發(fā)布時間：2020-10-18
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幾十年來，失重實驗室的非凡優(yōu)勢一直吸引著科學家們。這是因為在微重力條件下觀察現(xiàn)象和過程有助于為人類深空探索做好準備，并為改善地球上的生活質(zhì)量提供知識。微重力為探索多種科學研究的基礎提供了理想的環(huán)境，并且可以把握釋放3D打印全部潛力的關鍵。在沒有地球上經(jīng)歷的扭曲的情況下，研究人員可以深入了解物理和生物系統(tǒng)的內(nèi)部運作，從而推動軌道上的增材制造（AM）技術的發(fā)展。
多年來，研究人員一直在微重力環(huán)境下進行研究。在國際空間站(ISS)的國家空間實驗室成為軌道研究平臺之前，空間機構完全依賴于其他手段。其中包括空降塔、亞軌道太空飛行、人工微重力模擬器，特別是在地球上的拋物線飛行，這種飛行可以調(diào)整到零重力或低重力水平，就像在月球或火星表面發(fā)現(xiàn)的那樣。自20世紀50年代以來，許多創(chuàng)新和可行的選擇已經(jīng)出現(xiàn)，但僅限于微重力持續(xù)的短時間。
國際空間站
國際空間站上唯一一個永久占據(jù)的微重力實驗室允許研究人員和宇航員進行數(shù)百小時的實驗，以證明理論和揭示之前無法解釋的現(xiàn)象。他們甚至已經(jīng)邁出了實現(xiàn)按需微重力3D打印站的第一步。
ISS提供了一個寶貴的起點，可以推動3D打印技術在太空中的潛力。 ISS首席科學家Kirt Costello表示：“在太空中，沒有浮力驅動的對流。熱的事物不會勝過冷的事物，因此在很多時候，當您進行材料科學時，尤其是涉及材料的熔化或加工時，可能會有新的發(fā)現(xiàn)。因此，人們在研究太空新材料以及如何利用微重力作為其中一個因素來形成更強、更有利的材料方面取得了進展?！?/span>
由于基于地球的后勤支持的可用性極為有限，因此3D打印可能會成為太空中最重要的技術之一。今天的太空飛行任務要求美國國家航空航天局（NASA）每年向ISS運送7,000磅以上的備件。當另外29,000磅的航天硬件備件存儲在該站上時，還有39,000待在地面上，可以根據(jù)需要準備飛行。
這種后勤系統(tǒng)可能對于在地球上空250英里處運行的航天器非常有效，但是對于未來的登月，火星及以后的飛行任務，這根本不可行。一艘太空船到達月球大約需要三天，而每磅的成本為10,000美元，任何一個月球殖民地都會很快成為一項非常昂貴的任務。太空人員將需要制造自己的備件，工具和材料。因此，利用普通原材料按需制造是必不可少的，一些研究人員正在探索使用各種循環(huán)利用的船上廢料作為原料。
首批太空3D打印機
到目前為止，空間站已經(jīng)收到了多個3D打印實驗和3D打印系統(tǒng)平臺。2014年秋天，NASA和Made In Space (MIS)使用熔絲制造(FFF)打印機執(zhí)行了第一次在軌制造演示，這是3D打印零重力技術演示任務的一部分。一旦被安裝到國際空間站的微重力科學手套箱(一個密封的調(diào)查設備)，打印機就立即開始工作，甚至還能打印出由指揮官巴里·"布奇"·威爾莫在國際空間站上打印的第一個扳手。
任務的主要目的是證明打印機的關鍵操作功能，并通過制造機械性能測試物品和功能性工具，通過FFF流程評估微重力對材料結果的影響，并最終演示遠程命令。根據(jù)NASA的分析，經(jīng)過為期四年的比較研究實驗，航天局在國際空間站上并使用地球上的3D打印機在模擬微重力下制造了工具和其他物體，所有物體的性能均相同。實際上，在已發(fā)表的研究中，研究人員指出，在基于物理的FFF過程模型中，微重力對材料結果沒有顯著影響。
3D打印任務成功地展示了太空制造的第一步。然而，MIS通過推出另一個商業(yè)印刷設施，繼續(xù)推進其地球外制造的愿景。這一次，AMF公司的增材制造工廠(AMF)已于2016年3月進入軌道，利用三種不同的聚合物:ABS塑料、綠色聚乙烯生物塑料和可用于太空的PEI/PC塑料，已經(jīng)為各種商業(yè)和私人客戶額外制造了100多個獨立部件。
由學生在未來工程師計劃中設計的3D打印多功能工具，漂浮在國際空間站的增材制造設施的前面
利用3D打印技術開發(fā)空間是這項技術的最終用途。在地球上，AM與更老、更成熟的制造平臺競爭。在太空領域，3D打印將成為第一個、最可靠、性價比最高的全新商業(yè)領域的生產(chǎn)平臺。3D打印在太空是一項使之成為可能的技術，對人類探索低地球軌道(LEO)環(huán)境至關重要。通過對關鍵系統(tǒng)的一些修改，MIS能夠證明AM與基于擠壓的機器在微重力下的功能類似于它在地面上的功能，允許一個完整的概念證明。
但是，根據(jù)MIS的經(jīng)驗，使用聚合物原料進行在軌AM并不會顯示最終產(chǎn)品與地面產(chǎn)品的實質(zhì)性差異。雖然這可以很好地預測軌道上將產(chǎn)生什么，但科學家們認為，使用聚合物原料缺乏結構差異也可能會限制太空增幅材料在材料性能方面的優(yōu)勢。
或者，對于金屬不是這種情況。金屬AM在微重力下會改變產(chǎn)品的微觀結構和孔隙率。由國際空間站美國國家實驗室負責人，由太空科學發(fā)展中心（CASIS）組織的2020年虛擬增材制造研討會中討論空間制造的優(yōu)勢與局限性的專家小組確定，在微重力下，熔池中缺乏對流驅動的混合會影響沉積過程中組成的元素混合/均勻性，以及冷卻速率。因此，研究應考慮金屬線（例如用于定向能量沉積）或聚合物長絲系統(tǒng)，以及“混合介質(zhì)”產(chǎn)品，例如纖維增強塑料或金屬線增強陶瓷。
“如果要在地球外建立可持續(xù)發(fā)展的存在，我們需要提出新的材料，或者需要調(diào)整舊的材料以在微重力環(huán)境中使用和減少，特別要注意環(huán)境，” NASA項目解釋說。經(jīng)理詹妮弗·埃德蒙森（Jennifer Edmunson）。 “因此，如果我們想要在月球表面能幸存的東西，則必須做好應對熱變，輻射，微流星撞擊和帶靜電的月球表面的準備。如果新材料能夠在月球環(huán)境中生存，它們很可能將在地球上生長得很好。”
專家認為，在地面系統(tǒng)不能輕易轉化為微重力條件的情況下，有必要采用新穎的空間生產(chǎn)方法。為原料開辟新的選擇，包括彈性體，泡沫和橡膠等軟質(zhì)材料；低粘度油墨；新的聚合物選擇，例如更長的固化時間熱固性材料，填充聚合物系統(tǒng)，連續(xù)纖維增強和半結晶聚合物。此外，有必要研究原位材料將如何轉化為合適的增材制造原料，尤其是對于其他行星體的原位資源利用而言，太空人可以期望找到可能具有變質(zhì)潛力的易碎石型材料。
國際空間站上的美國實驗室
盡管ISS國家實驗室是探索微重力下3D打印可能性的理想環(huán)境，但仍有許多未解決的問題。到目前為止，太空機構和私人公司之間的協(xié)作和創(chuàng)新方法一直使AM得以在太空中蓬勃發(fā)展。隨著人類居住計劃的擴展，其主要目的是探索比以往任何時候都更多的月球表面，這個獨特的軌道實驗室對于了解人類如何在長期內(nèi)可持續(xù)生活至關重要。
多年來，研究人員一直在微重力環(huán)境下進行研究。在國際空間站(ISS)的國家空間實驗室成為軌道研究平臺之前，空間機構完全依賴于其他手段。其中包括空降塔、亞軌道太空飛行、人工微重力模擬器，特別是在地球上的拋物線飛行，這種飛行可以調(diào)整到零重力或低重力水平，就像在月球或火星表面發(fā)現(xiàn)的那樣。自20世紀50年代以來，許多創(chuàng)新和可行的選擇已經(jīng)出現(xiàn)，但僅限于微重力持續(xù)的短時間。
國際空間站
國際空間站上唯一一個永久占據(jù)的微重力實驗室允許研究人員和宇航員進行數(shù)百小時的實驗，以證明理論和揭示之前無法解釋的現(xiàn)象。他們甚至已經(jīng)邁出了實現(xiàn)按需微重力3D打印站的第一步。
ISS提供了一個寶貴的起點，可以推動3D打印技術在太空中的潛力。 ISS首席科學家Kirt Costello表示：“在太空中，沒有浮力驅動的對流。熱的事物不會勝過冷的事物，因此在很多時候，當您進行材料科學時，尤其是涉及材料的熔化或加工時，可能會有新的發(fā)現(xiàn)。因此，人們在研究太空新材料以及如何利用微重力作為其中一個因素來形成更強、更有利的材料方面取得了進展?！?/span>
由于基于地球的后勤支持的可用性極為有限，因此3D打印可能會成為太空中最重要的技術之一。今天的太空飛行任務要求美國國家航空航天局（NASA）每年向ISS運送7,000磅以上的備件。當另外29,000磅的航天硬件備件存儲在該站上時，還有39,000待在地面上，可以根據(jù)需要準備飛行。
這種后勤系統(tǒng)可能對于在地球上空250英里處運行的航天器非常有效，但是對于未來的登月，火星及以后的飛行任務，這根本不可行。一艘太空船到達月球大約需要三天，而每磅的成本為10,000美元，任何一個月球殖民地都會很快成為一項非常昂貴的任務。太空人員將需要制造自己的備件，工具和材料。因此，利用普通原材料按需制造是必不可少的，一些研究人員正在探索使用各種循環(huán)利用的船上廢料作為原料。
首批太空3D打印機
到目前為止，空間站已經(jīng)收到了多個3D打印實驗和3D打印系統(tǒng)平臺。2014年秋天，NASA和Made In Space (MIS)使用熔絲制造(FFF)打印機執(zhí)行了第一次在軌制造演示，這是3D打印零重力技術演示任務的一部分。一旦被安裝到國際空間站的微重力科學手套箱(一個密封的調(diào)查設備)，打印機就立即開始工作，甚至還能打印出由指揮官巴里·"布奇"·威爾莫在國際空間站上打印的第一個扳手。
任務的主要目的是證明打印機的關鍵操作功能，并通過制造機械性能測試物品和功能性工具，通過FFF流程評估微重力對材料結果的影響，并最終演示遠程命令。根據(jù)NASA的分析，經(jīng)過為期四年的比較研究實驗，航天局在國際空間站上并使用地球上的3D打印機在模擬微重力下制造了工具和其他物體，所有物體的性能均相同。實際上，在已發(fā)表的研究中，研究人員指出，在基于物理的FFF過程模型中，微重力對材料結果沒有顯著影響。
3D打印任務成功地展示了太空制造的第一步。然而，MIS通過推出另一個商業(yè)印刷設施，繼續(xù)推進其地球外制造的愿景。這一次，AMF公司的增材制造工廠(AMF)已于2016年3月進入軌道，利用三種不同的聚合物:ABS塑料、綠色聚乙烯生物塑料和可用于太空的PEI/PC塑料，已經(jīng)為各種商業(yè)和私人客戶額外制造了100多個獨立部件。
由學生在未來工程師計劃中設計的3D打印多功能工具，漂浮在國際空間站的增材制造設施的前面
利用3D打印技術開發(fā)空間是這項技術的最終用途。在地球上，AM與更老、更成熟的制造平臺競爭。在太空領域，3D打印將成為第一個、最可靠、性價比最高的全新商業(yè)領域的生產(chǎn)平臺。3D打印在太空是一項使之成為可能的技術，對人類探索低地球軌道(LEO)環(huán)境至關重要。通過對關鍵系統(tǒng)的一些修改，MIS能夠證明AM與基于擠壓的機器在微重力下的功能類似于它在地面上的功能，允許一個完整的概念證明。
但是，根據(jù)MIS的經(jīng)驗，使用聚合物原料進行在軌AM并不會顯示最終產(chǎn)品與地面產(chǎn)品的實質(zhì)性差異。雖然這可以很好地預測軌道上將產(chǎn)生什么，但科學家們認為，使用聚合物原料缺乏結構差異也可能會限制太空增幅材料在材料性能方面的優(yōu)勢。
或者，對于金屬不是這種情況。金屬AM在微重力下會改變產(chǎn)品的微觀結構和孔隙率。由國際空間站美國國家實驗室負責人，由太空科學發(fā)展中心（CASIS）組織的2020年虛擬增材制造研討會中討論空間制造的優(yōu)勢與局限性的專家小組確定，在微重力下，熔池中缺乏對流驅動的混合會影響沉積過程中組成的元素混合/均勻性，以及冷卻速率。因此，研究應考慮金屬線（例如用于定向能量沉積）或聚合物長絲系統(tǒng)，以及“混合介質(zhì)”產(chǎn)品，例如纖維增強塑料或金屬線增強陶瓷。
“如果要在地球外建立可持續(xù)發(fā)展的存在，我們需要提出新的材料，或者需要調(diào)整舊的材料以在微重力環(huán)境中使用和減少，特別要注意環(huán)境，” NASA項目解釋說。經(jīng)理詹妮弗·埃德蒙森（Jennifer Edmunson）。 “因此，如果我們想要在月球表面能幸存的東西，則必須做好應對熱變，輻射，微流星撞擊和帶靜電的月球表面的準備。如果新材料能夠在月球環(huán)境中生存，它們很可能將在地球上生長得很好。”
專家認為，在地面系統(tǒng)不能輕易轉化為微重力條件的情況下，有必要采用新穎的空間生產(chǎn)方法。為原料開辟新的選擇，包括彈性體，泡沫和橡膠等軟質(zhì)材料；低粘度油墨；新的聚合物選擇，例如更長的固化時間熱固性材料，填充聚合物系統(tǒng)，連續(xù)纖維增強和半結晶聚合物。此外，有必要研究原位材料將如何轉化為合適的增材制造原料，尤其是對于其他行星體的原位資源利用而言，太空人可以期望找到可能具有變質(zhì)潛力的易碎石型材料。
國際空間站上的美國實驗室
盡管ISS國家實驗室是探索微重力下3D打印可能性的理想環(huán)境，但仍有許多未解決的問題。到目前為止，太空機構和私人公司之間的協(xié)作和創(chuàng)新方法一直使AM得以在太空中蓬勃發(fā)展。隨著人類居住計劃的擴展，其主要目的是探索比以往任何時候都更多的月球表面，這個獨特的軌道實驗室對于了解人類如何在長期內(nèi)可持續(xù)生活至關重要。
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