太空失重環(huán)境下3D打印機(jī)的未來前景如何？無重力飛行實(shí)驗(yàn)或成關(guān)鍵

導(dǎo)讀：長期以來，在太空微重力環(huán)境下進(jìn)行制造的想法一直都有幾個明顯的挑戰(zhàn)："重力 "問題、質(zhì)量控制和原材料供應(yīng)。然而，一旦該想法得以成功實(shí)施，就地取材并完成制造有可能減輕對來自地球資源補(bǔ)給的依賴，使得人類太空中的生存更容易一些。

據(jù)南極熊了解，Made In Space公司早在2011年就曾創(chuàng)造了世界上第一臺微重力3D打印機(jī)，使得這種科幻的東西變成了現(xiàn)實(shí)。從那時起，全世界至少有15臺實(shí)驗(yàn)性3D打印機(jī)在零重力飛行環(huán)境下進(jìn)行了測試。在企業(yè)、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和航天機(jī)構(gòu)的推動下，這類3D打印研究已經(jīng)取得了成功，從2011年至2018年偶爾測試的幾臺打印機(jī)到2022年就有6臺。

事實(shí)上，美國航天工業(yè)在2011年已經(jīng)開始面臨轉(zhuǎn)型，曾經(jīng)名噪一時的NASA航天飛機(jī)計劃也在這一年結(jié)束。隨著航天預(yù)算的大幅削減，NASA很快轉(zhuǎn)向私營企業(yè)以滿足其許多空間任務(wù)需求，Made In Space公司便是其中的一家杰出代表。

Made In Space源自于奇點(diǎn)大學(xué)（Singularity University），是一家為國際空間站（ISS）制造3D打印機(jī)的公司，致力于填補(bǔ)太空制造方面的技術(shù)空白。該公司的創(chuàng)始人麥克-陳認(rèn)為：3D打印和太空制造將極大地改變我們今天看待太空探索、商業(yè)化和任務(wù)設(shè)計的方式。"

△MadeIn Space在拋物線飛行中測試3D打印機(jī)。圖片來源：MadeIn Space/Redwire。

與Made In Space（現(xiàn)在歸屬于Redwire公司）一樣，許多其他公司也決定在拋物線飛行中測試其3D打印技術(shù)。例如，2016年，工程公司和美國國家航空航天局的常規(guī)承包商Techshot（也被Redwire收購）與制造商nScrypt合作，創(chuàng)造了第一臺微重力生物打印機(jī)，并在零重力公司飛行的飛機(jī)上進(jìn)行了測試，該公司在美國機(jī)場完成了失重飛行實(shí)驗(yàn)。

飛機(jī)在墨西哥灣上空30000英尺（約9144米）時開始下落，模擬出失重狀態(tài)，同時飛機(jī)上的生物打印機(jī)開始使用人類干細(xì)胞創(chuàng)建心臟和血管結(jié)構(gòu)。與“太空制造 “一樣，Techshot和nScrypt后來將生物打印機(jī)送往國際空間站美國國家實(shí)驗(yàn)室，宇航員在那里使用它來制造人類膝關(guān)節(jié)軟骨測試印跡和其他人體組織。

太空制造的歷史

幾十年來，就地制造一直被作為一種在軌道上生產(chǎn)零部件的方法進(jìn)行研究，以滿足地外環(huán)境中即時獲取零件的需求。在20世紀(jì)60年代末，蘇聯(lián)宇航員在太空中進(jìn)行了第一次焊接實(shí)驗(yàn)，作為其空間制造研究的一部分。在接下來的十年里，美國開始在美國宇航局發(fā)射的第一個空間站Skylab中進(jìn)行空間制造實(shí)驗(yàn)。

但是通向太空制造的大門在于對拋物線飛行條件的研究，它可以在地球上的飛機(jī)上重現(xiàn)無重力條件。通過交替的向上和向下的弧線，它們?yōu)榭茖W(xué)家提供了必要的微重力環(huán)境，以進(jìn)行研究，而無需實(shí)際前往太空。這種模擬失重可能始于20世紀(jì)60年代美國軍用飛機(jī)上的第一個飛行空間實(shí)驗(yàn)室。不過，它仍然擴(kuò)大并引入到了一些私營企業(yè)，如美國的Zero-G公司和法國的Novespace公司。

拋物線飛行：實(shí)現(xiàn)在軌3D打印的“重要一關(guān)“

隨著有了更多的選擇來重現(xiàn)太空中獨(dú)特的失重狀態(tài)，我們已經(jīng)見證了一系列的打印機(jī)在拋物線飛行中成功測試。例如，在2016年底，伯明翰大學(xué)先進(jìn)材料和加工實(shí)驗(yàn)室（AMP實(shí)驗(yàn)室）的Luke Carter在三個獨(dú)立的拋物線飛行中展示了微重力下的金屬3D打印。通過創(chuàng)造一個類似定向能量沉積（DED）的打印過程，并使用鋁線作為原料，卡特和他的團(tuán)隊(duì)制作了一個近凈成形的零件。

然后在2017年，由國家研究委員會和加拿大航天局支持的加拿大減重實(shí)驗(yàn)設(shè)計挑戰(zhàn)賽（CAN-RGX）選擇了兩個團(tuán)隊(duì)在拋物線飛行中測試其3D打印實(shí)驗(yàn)。來自多倫多大學(xué)的AVAIL團(tuán)隊(duì)（分析液體中的粘度和慣性）建立了一個系統(tǒng)，控制粘性液體（本例中為玉米糖漿）通過15個不同的噴嘴，而來自阿爾伯塔大學(xué)的iSSELab團(tuán)隊(duì)（界面科學(xué)和表面工程實(shí)驗(yàn)室）收集了在減重力環(huán)境下3D打印材料的數(shù)據(jù)。

△SpaceFoundry在零重力測試飛行期間的打印。圖片來源：Space Foundry

次年，一架歐洲拋物線飛行器在新西蘭搭載中國科學(xué)院空間應(yīng)用技術(shù)與工程中心的科學(xué)家在微重力環(huán)境下測試了第一臺陶瓷DLP 3D打印機(jī)。在這次成功的活動之后，NASA選擇了Gregory Whiting副教授和他的研究小組來測試和模擬3D打印功能材料在月球重力下如何工作。Whiting的研究小組，即博爾德實(shí)驗(yàn)電子和制造實(shí)驗(yàn)室，已經(jīng)為2021年的兩次拋物線飛行做了準(zhǔn)備。

在相近的時間段內(nèi)，慕尼黑應(yīng)用科學(xué)大學(xué)的工程系學(xué)生也建造了一臺帶有擠出機(jī)的3D打印機(jī)，用于分配液體光聚合物，該研究是在歐洲航天局（ESA）的第74次拋物線飛行活動中從德國帕德博恩-利普施塔特機(jī)場起飛開展的。

2022年，一些令人難忘的零重力3D打印實(shí)驗(yàn)包括Space Foundry對天基電子打印的測試，該測試得到了NASA的飛行機(jī)會和小企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）計劃的支持。此外，加州大學(xué)伯克利分校的研究團(tuán)隊(duì)在5月10日測試了 "復(fù)制器"——一種基于光刻原理的3D打印機(jī)，打印了100多個物體。另外，一個德國企業(yè)測試了其專利的3D打印工藝，并首次使用金屬粉末在零重力下進(jìn)行3D打印。

上述提及的諸多太空3D打印的應(yīng)用嘗試都要?dú)w功于無重力飛行，與之相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和過去幾年內(nèi)進(jìn)行的類似實(shí)驗(yàn)也在下表中進(jìn)行了匯總：