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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(shí)間：2020-10-18
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幾十年來，失重實(shí)驗(yàn)室的非凡優(yōu)勢(shì)一直吸引著科學(xué)家們。這是因?yàn)樵谖⒅亓l件下觀察現(xiàn)象和過程有助于為人類深空探索做好準(zhǔn)備，并為改善地球上的生活質(zhì)量提供知識(shí)。微重力為探索多種科學(xué)研究的基礎(chǔ)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(guān)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(yùn)作，從而推動(dòng)軌道上的增材制造（AM）技術(shù)的發(fā)展。
多年來，研究人員一直在微重力環(huán)境下進(jìn)行研究。在國際空間站(ISS)的國家空間實(shí)驗(yàn)室成為軌道研究平臺(tái)之前，空間機(jī)構(gòu)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(jì)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(shí)間。
國際空間站
國際空間站上唯一一個(gè)永久占據(jù)的微重力實(shí)驗(yàn)室允許研究人員和宇航員進(jìn)行數(shù)百小時(shí)的實(shí)驗(yàn)，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(shí)現(xiàn)按需微重力3D打印站的第一步。
ISS提供了一個(gè)寶貴的起點(diǎn)，可以推動(dòng)3D打印技術(shù)在太空中的潛力。 ISS首席科學(xué)家Kirt Costello表示：“在太空中，沒有浮力驅(qū)動(dòng)的對(duì)流。熱的事物不會(huì)勝過冷的事物，因此在很多時(shí)候，當(dāng)您進(jìn)行材料科學(xué)時(shí)，尤其是涉及材料的熔化或加工時(shí)，可能會(huì)有新的發(fā)現(xiàn)。因此，人們?cè)谘芯刻招虏牧弦约叭绾卫梦⒅亓ψ鳛槠渲幸粋€(gè)因素來形成更強(qiáng)、更有利的材料方面取得了進(jìn)展。”
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(huì)成為太空中最重要的技術(shù)之一。今天的太空飛行任務(wù)要求美國國家航空航天局（NASA）每年向ISS運(yùn)送7,000磅以上的備件。當(dāng)另外29,000磅的航天硬件備件存儲(chǔ)在該站上時(shí)，還有39,000待在地面上，可以根據(jù)需要準(zhǔn)備飛行。
這種后勤系統(tǒng)可能對(duì)于在地球上空250英里處運(yùn)行的航天器非常有效，但是對(duì)于未來的登月，火星及以后的飛行任務(wù)，這根本不可行。一艘太空船到達(dá)月球大約需要三天，而每磅的成本為10,000美元，任何一個(gè)月球殖民地都會(huì)很快成為一項(xiàng)非常昂貴的任務(wù)。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(jī)
到目前為止，空間站已經(jīng)收到了多個(gè)3D打印實(shí)驗(yàn)和3D打印系統(tǒng)平臺(tái)。2014年秋天，NASA和Made In Space (MIS)使用熔絲制造(FFF)打印機(jī)執(zhí)行了第一次在軌制造演示，這是3D打印零重力技術(shù)演示任務(wù)的一部分。一旦被安裝到國際空間站的微重力科學(xué)手套箱(一個(gè)密封的調(diào)查設(shè)備)，打印機(jī)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(gè)扳手。
任務(wù)的主要目的是證明打印機(jī)的關(guān)鍵操作功能，并通過制造機(jī)械性能測(cè)試物品和功能性工具，通過FFF流程評(píng)估微重力對(duì)材料結(jié)果的影響，并最終演示遠(yuǎn)程命令。根據(jù)NASA的分析，經(jīng)過為期四年的比較研究實(shí)驗(yàn)，航天局在國際空間站上并使用地球上的3D打印機(jī)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(shí)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(duì)材料結(jié)果沒有顯著影響。
3D打印任務(wù)成功地展示了太空制造的第一步。然而，MIS通過推出另一個(gè)商業(yè)印刷設(shè)施，繼續(xù)推進(jìn)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(jìn)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(gè)獨(dú)立部件。
由學(xué)生在未來工程師計(jì)劃中設(shè)計(jì)的3D打印多功能工具，漂浮在國際空間站的增材制造設(shè)施的前面
利用3D打印技術(shù)開發(fā)空間是這項(xiàng)技術(shù)的最終用途。在地球上，AM與更老、更成熟的制造平臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)。在太空領(lǐng)域，3D打印將成為第一個(gè)、最可靠、性價(jià)比最高的全新商業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)平臺(tái)。3D打印在太空是一項(xiàng)使之成為可能的技術(shù)，對(duì)人類探索低地球軌道(LEO)環(huán)境至關(guān)重要。通過對(duì)關(guān)鍵系統(tǒng)的一些修改，MIS能夠證明AM與基于擠壓的機(jī)器在微重力下的功能類似于它在地面上的功能，允許一個(gè)完整的概念證明。
但是，根據(jù)MIS的經(jīng)驗(yàn)，使用聚合物原料進(jìn)行在軌AM并不會(huì)顯示最終產(chǎn)品與地面產(chǎn)品的實(shí)質(zhì)性差異。雖然這可以很好地預(yù)測(cè)軌道上將產(chǎn)生什么，但科學(xué)家們認(rèn)為，使用聚合物原料缺乏結(jié)構(gòu)差異也可能會(huì)限制太空增幅材料在材料性能方面的優(yōu)勢(shì)。
或者，對(duì)于金屬不是這種情況。金屬AM在微重力下會(huì)改變產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)和孔隙率。由國際空間站美國國家實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人，由太空科學(xué)發(fā)展中心（CASIS）組織的2020年虛擬增材制造研討會(huì)中討論空間制造的優(yōu)勢(shì)與局限性的專家小組確定，在微重力下，熔池中缺乏對(duì)流驅(qū)動(dòng)的混合會(huì)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(yīng)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(qiáng)塑料或金屬線增強(qiáng)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(xiàng)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(yīng)對(duì)熱變，輻射，微流星撞擊和帶靜電的月球表面的準(zhǔn)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?！?/span>
專家認(rèn)為，在地面系統(tǒng)不能輕易轉(zhuǎn)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(shí)間熱固性材料，填充聚合物系統(tǒng)，連續(xù)纖維增強(qiáng)和半結(jié)晶聚合物。此外，有必要研究原位材料將如何轉(zhuǎn)化為合適的增材制造原料，尤其是對(duì)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(shí)驗(yàn)室
盡管ISS國家實(shí)驗(yàn)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(jī)構(gòu)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(jì)劃的擴(kuò)展，其主要目的是探索比以往任何時(shí)候都更多的月球表面，這個(gè)獨(dú)特的軌道實(shí)驗(yàn)室對(duì)于了解人類如何在長期內(nèi)可持續(xù)生活至關(guān)重要。
多年來，研究人員一直在微重力環(huán)境下進(jìn)行研究。在國際空間站(ISS)的國家空間實(shí)驗(yàn)室成為軌道研究平臺(tái)之前，空間機(jī)構(gòu)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(jì)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(shí)間。
國際空間站
國際空間站上唯一一個(gè)永久占據(jù)的微重力實(shí)驗(yàn)室允許研究人員和宇航員進(jìn)行數(shù)百小時(shí)的實(shí)驗(yàn)，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(shí)現(xiàn)按需微重力3D打印站的第一步。
ISS提供了一個(gè)寶貴的起點(diǎn)，可以推動(dòng)3D打印技術(shù)在太空中的潛力。 ISS首席科學(xué)家Kirt Costello表示：“在太空中，沒有浮力驅(qū)動(dòng)的對(duì)流。熱的事物不會(huì)勝過冷的事物，因此在很多時(shí)候，當(dāng)您進(jìn)行材料科學(xué)時(shí)，尤其是涉及材料的熔化或加工時(shí)，可能會(huì)有新的發(fā)現(xiàn)。因此，人們?cè)谘芯刻招虏牧弦约叭绾卫梦⒅亓ψ鳛槠渲幸粋€(gè)因素來形成更強(qiáng)、更有利的材料方面取得了進(jìn)展。”
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(huì)成為太空中最重要的技術(shù)之一。今天的太空飛行任務(wù)要求美國國家航空航天局（NASA）每年向ISS運(yùn)送7,000磅以上的備件。當(dāng)另外29,000磅的航天硬件備件存儲(chǔ)在該站上時(shí)，還有39,000待在地面上，可以根據(jù)需要準(zhǔn)備飛行。
這種后勤系統(tǒng)可能對(duì)于在地球上空250英里處運(yùn)行的航天器非常有效，但是對(duì)于未來的登月，火星及以后的飛行任務(wù)，這根本不可行。一艘太空船到達(dá)月球大約需要三天，而每磅的成本為10,000美元，任何一個(gè)月球殖民地都會(huì)很快成為一項(xiàng)非常昂貴的任務(wù)。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(jī)
到目前為止，空間站已經(jīng)收到了多個(gè)3D打印實(shí)驗(yàn)和3D打印系統(tǒng)平臺(tái)。2014年秋天，NASA和Made In Space (MIS)使用熔絲制造(FFF)打印機(jī)執(zhí)行了第一次在軌制造演示，這是3D打印零重力技術(shù)演示任務(wù)的一部分。一旦被安裝到國際空間站的微重力科學(xué)手套箱(一個(gè)密封的調(diào)查設(shè)備)，打印機(jī)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(gè)扳手。
任務(wù)的主要目的是證明打印機(jī)的關(guān)鍵操作功能，并通過制造機(jī)械性能測(cè)試物品和功能性工具，通過FFF流程評(píng)估微重力對(duì)材料結(jié)果的影響，并最終演示遠(yuǎn)程命令。根據(jù)NASA的分析，經(jīng)過為期四年的比較研究實(shí)驗(yàn)，航天局在國際空間站上并使用地球上的3D打印機(jī)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(shí)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(duì)材料結(jié)果沒有顯著影響。
3D打印任務(wù)成功地展示了太空制造的第一步。然而，MIS通過推出另一個(gè)商業(yè)印刷設(shè)施，繼續(xù)推進(jìn)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(jìn)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(gè)獨(dú)立部件。
由學(xué)生在未來工程師計(jì)劃中設(shè)計(jì)的3D打印多功能工具，漂浮在國際空間站的增材制造設(shè)施的前面
利用3D打印技術(shù)開發(fā)空間是這項(xiàng)技術(shù)的最終用途。在地球上，AM與更老、更成熟的制造平臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)。在太空領(lǐng)域，3D打印將成為第一個(gè)、最可靠、性價(jià)比最高的全新商業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)平臺(tái)。3D打印在太空是一項(xiàng)使之成為可能的技術(shù)，對(duì)人類探索低地球軌道(LEO)環(huán)境至關(guān)重要。通過對(duì)關(guān)鍵系統(tǒng)的一些修改，MIS能夠證明AM與基于擠壓的機(jī)器在微重力下的功能類似于它在地面上的功能，允許一個(gè)完整的概念證明。
但是，根據(jù)MIS的經(jīng)驗(yàn)，使用聚合物原料進(jìn)行在軌AM并不會(huì)顯示最終產(chǎn)品與地面產(chǎn)品的實(shí)質(zhì)性差異。雖然這可以很好地預(yù)測(cè)軌道上將產(chǎn)生什么，但科學(xué)家們認(rèn)為，使用聚合物原料缺乏結(jié)構(gòu)差異也可能會(huì)限制太空增幅材料在材料性能方面的優(yōu)勢(shì)。
或者，對(duì)于金屬不是這種情況。金屬AM在微重力下會(huì)改變產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)和孔隙率。由國際空間站美國國家實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人，由太空科學(xué)發(fā)展中心（CASIS）組織的2020年虛擬增材制造研討會(huì)中討論空間制造的優(yōu)勢(shì)與局限性的專家小組確定，在微重力下，熔池中缺乏對(duì)流驅(qū)動(dòng)的混合會(huì)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(yīng)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(qiáng)塑料或金屬線增強(qiáng)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(xiàng)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(yīng)對(duì)熱變，輻射，微流星撞擊和帶靜電的月球表面的準(zhǔn)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?！?/span>
專家認(rèn)為，在地面系統(tǒng)不能輕易轉(zhuǎn)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(shí)間熱固性材料，填充聚合物系統(tǒng)，連續(xù)纖維增強(qiáng)和半結(jié)晶聚合物。此外，有必要研究原位材料將如何轉(zhuǎn)化為合適的增材制造原料，尤其是對(duì)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(shí)驗(yàn)室
盡管ISS國家實(shí)驗(yàn)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(jī)構(gòu)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(jì)劃的擴(kuò)展，其主要目的是探索比以往任何時(shí)候都更多的月球表面，這個(gè)獨(dú)特的軌道實(shí)驗(yàn)室對(duì)于了解人類如何在長期內(nèi)可持續(xù)生活至關(guān)重要。
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