中澳高溫FFF技術展示新潛力，可在太空中對衛(wèi)星進行在軌維修

導讀：在過去的七十年里，地球軌道上的衛(wèi)星數(shù)量激增，據(jù)說現(xiàn)在有超過2500顆衛(wèi)星橫跨我們星球的大氣層。一旦這些處于地外空間的設備出現(xiàn)故障，那么它們的維修無疑將是一項成本高昂的大工程。

2021年12月10日，南極熊獲悉，中國科技大學和悉尼大學的工程師們共同設計了一臺3D打印機，能夠在模擬的太空條件下對PEEK材料進行高溫加工。

據(jù)該團隊稱，使用FDM 3D打印，有可能在軌道上生產(chǎn)PEEK的衛(wèi)星備件，但在太空中出現(xiàn)的熱傳導不足會導致目前的系統(tǒng)過熱。為了克服這個問題，研究人員已經(jīng)開發(fā)了一種新型3D打印機，它帶有比例積分（PI）控制器，能夠在真空中以高達400°C的高溫運行，有可能使其成為未來軌道維修任務的理想選擇。

△研究人員提議的軌道3D打印系統(tǒng)的示意圖。圖片來自《Advances in Space Research》雜志。

衛(wèi)星服務的難題？

衛(wèi)星的正常運行除了可以指導太空任務外，它們對地球上的通信和導航也非常重要，因此一旦發(fā)生故障就有可能偏離軌道，并產(chǎn)生碎片，使軌道飛行器受損。

理論上，通過衛(wèi)星的在軌制造會很大程度上降低衛(wèi)星故障的發(fā)生，并且這種方法要比那些將裝滿維修設備的火箭發(fā)射到軌道上成本更低。據(jù)悉，諾斯羅普-格魯曼公司和DARPA等公司現(xiàn)在正在進行衛(wèi)星發(fā)射任務，在這些任務中，他們各自的"擴展飛行器"和"機器人飛行器 "也都將進行軌道試驗。

然而，來自中國和澳大利亞的研究人員表示，預計到2030年，在軌制造的成本仍將飆升至62億美元。為了幫助航空航天公司減少這方面的開支，研究團隊特別重視在國際空間站上的3D打印實驗的成功，并建議該技術可以部署在外太空，以及載人航天器上。

工程師們特別認為，F(xiàn)DM機器可能是進行軌道維修的理想選擇，因為它們沒有激光，依賴容易儲存的長絲，并與堅固的材料（如PEEK）兼容。然而，盡管他們對這項技術持樂觀態(tài)度，但該團隊承認，目前的系統(tǒng)在太空中很容易出現(xiàn)材料堵塞的情況，原因是長絲過度融化。

△軌道3D打印機中心管（如圖）的設計是為了防止高溫堵塞。圖片來自《空間研究進展》雜志。

在太空的真空條件下進行打印

為了使軌道3D打印更加可行，研究人員著手開發(fā)了一個帶有升級版熱控制裝置的3D打印系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在衛(wèi)星上降落，然后使用機械臂更換損壞的部件。除了這些手臂和它的起落架，該團隊的第一個原型在很大程度上是基于一個標準的FDM架構(gòu)，配有加熱模塊、水槽、輥帶、擠出機和散熱器。

為了在建造機器前評估其潛力，該團隊選擇了進行一些PEEK打印的模擬。有趣的是，結(jié)果顯示，增加設備的散熱片和散熱器之間的熱帶數(shù)量，可以更有效地控制其中心管的溫度，同時防止材料進料時熔化的長絲倒流。

通過模擬，工程師們還發(fā)現(xiàn)，在降低重力的情況下進行打印，會導致材料附著在系統(tǒng)的內(nèi)管上，增加摩擦力，并可能造成擠壓堵塞。為了解決這個問題，該團隊反復修改了這個部分，然后提出了一個設計，以提高其熱傳導效率，并在高達400℃的溫度下發(fā)揮作用。

最后，研究人員在整理了所有的數(shù)據(jù)后，設計了一個數(shù)學模型，證明了引入“模糊PI控制模塊 “將給他們的系統(tǒng)帶來的好處。從本質(zhì)上講，該設備被設計為在380°C的溫度下啟動，提高了其熱控制功能的精度，但也防止了過熱和維修錯誤的風險。

在結(jié)束了評估之后，工程師們現(xiàn)在正在建造一個工作原型，他們打算在一個物理真空室中進行測試。在未來，如果他們的打印機能夠找到最終用途，該團隊相信它可以幫助減少太空探索的成本和時間，一旦衛(wèi)星發(fā)生故障只需要進行在軌維修，而不載需要額外發(fā)射火箭。

△Redwire現(xiàn)在已經(jīng)在國際空間站上安裝了幾件3D打印設備，包括其雷石打印設施（如圖）。圖片來自Redwire。

AM在太空軌道上的巨大應用潛力

太空3D打印可能聽起來像科幻小說中的東西，但這項技術之前已經(jīng)在NASA的國際空間站上的地外空間中進行過測試。目前，這一領域的領導者之一是Made InSpace，現(xiàn)在屬于Redwire的子公司，去年他們在軌道基地上安裝了一個新的陶瓷3D打印模塊。

此外，Made In Space公司的技術也將被應用到藍色起源和塞拉空間即將推出的商業(yè) "軌道礁"空間站上。新基地預計將于2026年發(fā)射，作為一個混合用途的商業(yè)園區(qū)，同時為"太空制造"繼續(xù)提供進行微重力研發(fā)和實驗性生產(chǎn)的測試場所。

同時，在慕尼黑應用科學大學，研究人員采取了與中澳團隊類似的方法，開發(fā)了一臺軌道衛(wèi)星3D打印機。該系統(tǒng)旨在減少向太空發(fā)射維修設備所需的限制任務長度的燃料量，將來能夠在零重力條件下建造整個太陽能電池板或天線相關部件。

研究人員的發(fā)現(xiàn)詳見他們的論文，題為 "Extrusion andThermal Control Design of an On-orbit 3D Printing Platform"，該論文由唐建寧、Trevor Hocksun Kwan和吳曉峰共同撰寫。

相關論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0273117721008784