人類一直夢想征服太空，每一次技術(shù)進步都讓我們更接近這個目標(biāo)。在這些創(chuàng)新中，3D打印近年來已成為航天工業(yè)的一項重要資產(chǎn)。但與人們所認為的相反，它在該領(lǐng)域的應(yīng)用并不新鮮。

2014年，3D打印機首次被送入太空，標(biāo)志著該技術(shù)在極端環(huán)境下應(yīng)用的轉(zhuǎn)折點。自那時起，它的應(yīng)用不斷發(fā)展。它的作用遠不止于小修小補和簡單的失重實驗，現(xiàn)在它已被融入到火箭設(shè)計中，并為新的可能性，特別是現(xiàn)場制造開辟了道路。但是，為什么要在航天領(lǐng)域使用3D打印呢？我們給你8個理由！

Neutron是由Rocket Lab公司開發(fā)的一種可部分重復(fù)使用的太空運載火箭。（圖片來源：Rocket Lab）

進入太空

1：火箭部件優(yōu)化

對于太空探索來說，每一克都至關(guān)重要。火箭或衛(wèi)星越輕，發(fā)射成本就越低，效率也越高。通過減輕機器重量，我們可以減少所需的燃料量并釋放空間來攜帶更多有用的設(shè)備。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，3D打印提供了一個有趣的解決方案：它允許設(shè)計定制部件，并對其進行優(yōu)化，使其既堅固又輕便。由于采用了不同的設(shè)計技術(shù)（英文為DfAM），特別是使用拓撲優(yōu)化，我們可以創(chuàng)造出傳統(tǒng)方法無法獲得的復(fù)雜形狀，同時保持出色的抵抗力。一個具體的例子是火箭發(fā)動機的冷卻通道。這些小管道用于排出燃燒室周圍的強烈熱量。通過3D打印，它們可以直接集成到零件中，而使用傳統(tǒng)的機械加工或注塑成型則非常困難，甚至不可能，因為后者通常過于昂貴且限制過多。

2：使用新材料提高性能

在航天領(lǐng)域，材料必須承受極端條件：高溫、輻射、壓力變化、熱沖擊等。3D打印現(xiàn)在可以使用各種專門適應(yīng)這些限制的先進材料。我們發(fā)現(xiàn)鈦、鋁或因科鎳合金等金屬合金以其輕質(zhì)和耐熱性而聞名。另一方面，纖維增強復(fù)合材料在強度、柔韌性和減輕重量之間實現(xiàn)了極好的平衡。但這些材料只有與合適的印刷工藝相結(jié)合才能發(fā)揮其全部潛力。DED、LPBF、DMLS和擠壓等技術(shù)使它們能夠轉(zhuǎn)化為復(fù)雜、精確和優(yōu)化的零件。這些方法直接影響印刷材料的微觀結(jié)構(gòu)，從而可以創(chuàng)建具有特定機械性能的定制部件。3D打印還可以用于技術(shù)陶瓷。例如，氧化鋯具有優(yōu)異的耐熱、耐磨損和耐腐蝕性能。這種材料甚至在極高的溫度下也能導(dǎo)電。其他陶瓷對于在太空極端條件下工作的部件也具有有趣的特性。

3：簡化組裝并降低成本

通過使用3D打印，制造商可以更經(jīng)濟地生產(chǎn)重要部件，例如發(fā)動機部件。與傳統(tǒng)方法不同，3D打印大大簡化了制造過程。它還促進了設(shè)計最終產(chǎn)品所需的原型設(shè)計和迭代。另一個主要優(yōu)點是減少了制造航天器的零部件數(shù)量。借助3D打印，有時可以避免組裝數(shù)千個零件。例如，SAB Aerospace最近用3D打印技術(shù)打印了一個單件火箭噴嘴，而傳統(tǒng)上需要組裝數(shù)千個組件。就Relavity Space而言，它通過減少1,000個零部件的數(shù)量，大大簡化了其Terran火箭的構(gòu)造。

SAB Aerospace的3D打印火箭噴嘴。（圖片來源：SAB Aerospace）

改善宇航員的日常生活

4：在微重力條件下制造備件

3D打印使得直接在太空中制造物體成為可能。這一進步大大減少了對地球探險的依賴，因為地球探險通常漫長而昂貴。船員們現(xiàn)在可以在船上設(shè)計和生產(chǎn)他們所需的部件，而不必等待數(shù)周甚至數(shù)月才能得到替換部件。這種技術(shù)自主性非常有價值，特別是在發(fā)生不可預(yù)見的事件時：如果工具損壞或丟失，只需在現(xiàn)場打印一個新的即可。通過限制中斷，這顯著提高了任務(wù)的安全性和效率。目前正在進行多項實驗，探索3D打印在太空中的潛力。2024年，第一個金屬部件直接在國際空間站上制造完成，標(biāo)志著我們達到了一個重要的里程碑。這種測試表明，盡管該技術(shù)仍處于測試階段，但它可以在太空條件下發(fā)揮作用。

5.食品打印

在太空任務(wù)中，電力供應(yīng)是一個真正的挑戰(zhàn)，尤其是當(dāng)任務(wù)持續(xù)數(shù)月甚至數(shù)年時。宇航員必須攜帶大量補給，這會占用大量空間和重量。3D食品打印使得直接在飛機上準(zhǔn)備飯菜成為可能，只需使用糊狀或粉末狀的基本原料即可。因此，可以根據(jù)每位機組人員的特定營養(yǎng)需求，為他們制作個性化膳食。這項技術(shù)還減少了浪費并優(yōu)化了資源的利用。測試已經(jīng)證明可以在零重力環(huán)境下（例如在國際空間站(ISS)上）使用3D打印技術(shù)制造肉類。與此同時，科學(xué)家們也在繼續(xù)探索這項技術(shù)是否真的能夠成為宇航員在長期任務(wù)期間提供食物的可靠解決方案。

6.打印醫(yī)療設(shè)備和生物打印

在長期的太空任務(wù)中，并不總是能夠攜帶所有必要的醫(yī)療設(shè)備。借助3D打印，宇航員可以在現(xiàn)場制造有用的物體來治療傷害或某些健康問題。例如，他們可以打印適合各種情況的夾板甚至手術(shù)器械。這使我們能夠在需要時迅速做出反應(yīng)，而無需等待地球的運送。此外，涉及打印活組織的生物打印技術(shù)在太空領(lǐng)域也取得了進展。Redwire公司已成功在微重力環(huán)境下3D打印出半月板，證明該技術(shù)有朝一日可以在太空中直接幫助修復(fù)組織。

7：宇航服打印

在地球上制造宇航服對于未來的任務(wù)來說是一項重要資產(chǎn)。一旦到達月球或火星，僅僅在那里是不夠的：你還必須能夠在那里安全地移動。2023年，Axiom Space展示了為Artemis計劃中的宇航員設(shè)計的新型宇航服原型。該模型是使用CAD軟件、3D打印和傳統(tǒng)縫紉技術(shù)開發(fā)的。這種方法可以使宇航服適應(yīng)當(dāng)?shù)厍闆r，必要時可以快速修復(fù)，并更好地滿足每個任務(wù)的具體要求。

阿爾忒彌斯計劃宇航員的宇航服（圖片來源：Axiom Space）

加速太空生活

8：空間結(jié)構(gòu)和未來棲息地的建設(shè)

為了在月球或火星上可持續(xù)地生活，僅僅建造簡單的庇護所是不夠的。利用3D打印，現(xiàn)在可以在現(xiàn)場建造各種各樣的建筑物，例如住宅、太陽能發(fā)電廠和其他必要的基礎(chǔ)設(shè)施。這項技術(shù)的一個主要優(yōu)勢是它允許使用當(dāng)?shù)夭牧?，例如風(fēng)化層。這使得可以在現(xiàn)場建造可行的結(jié)構(gòu)。此外，3D打印還可以設(shè)計定制結(jié)構(gòu)來應(yīng)對太空的特定挑戰(zhàn)，例如輻射、極端溫度或低重力。

圖片來源：ESA

編譯整理：3dnatives