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3D 打印在航天領域中的應用前景如何?

2018年09月07日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 8 ℃ 次

【ProtossProbe的回答(34票)】:

佔個坑,開個腦洞回答一下。

先說自己的觀點:

3D打印技術在航天領域中有相當廣泛的應用前景,甚至很可能會成為未來「太空產業化」路上的一項至關重要的技術。

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1. 現階段 3D 打印在航天上的應用

3D 打印開始火熱也就是在最近幾年,所以這項新技術在航天上的應用並不多。不過,NASA 以及國外的一些航天公司已經就 3D 打印技術在航天上的應用展開了初期的嘗試。下面簡要介紹一下:

1)NASA

NASA 一直鼓勵前沿技術在航天中的應用,3D 打印也不例外。在 2014 年 11 月 17 日,第一台太空 3D 打印機在國際空間站上安裝成功。這台 3D 打印機是由 Made In Space 公司製造,由 SpaceX 的龍飛船運往國際空間站(SpaceX CRS-4)。

那麼 ISS 上的首台 3D 打印機表現如何呢?

在完成機器的安裝和調試工作後,NASA 先讓它打印了一個扳手。這個工具的圖紙是由工程師在地面設計完成之後,上傳到 ISS 的 3D 打印機中的。所以理論上來說,只要 ISS 不斷網,任何常用的工具都可以由地面設計好,再命令太空中的 3D 打印機進行製造。

隨後的幾個月內,這台打印機也製造了一些其他的部件。2015 年 2 月,這些在太空中製造的產品同樣搭乘龍飛船順利運回地球,隨後轉送到了 NASA 的馬歇爾太空飛行中心(Marshall Space Flight Center)進行後續的測試,以驗證在零重力環境下使用 3D 打印技術製造產品的可行性。到目前為止,還沒有測試的後續報道。

2)Made In Space 公司

談到太空 3D 打印,就不可不提到太空製造公司。上面說的 ISS 上的首台 3D 打印機就是由他們製造。這家公司成立於 2010 年,公司總部位於加州山景城,目前員工僅有 22 人。

太空製造公司是首家研究零重力下 3D 打印技術的公司。為了在失重環境下進行測試,他們一共開展了400餘次零重力的拋物線飛行(由 NASA 的 Flight Opportunities Program 進行資助),並向 NASA 驗證了零重力 3D 打印的可行性。

在 ISS 的 3D 打印測試成功之後,太空製造公司也沒閒著,繼續和 NanoRacks | The Operating System of Space 合作,開展了一個AMF(Additive Manufacturing Facility)項目。計劃在 2015 年,再給 ISS 發送一個使用 3D 打印技術的生產設備(First Machine Hardware Store In Space),並提供商業使用。

3)SpaceX 公司

關於 SpaceX 公司對於 3D 打印技術的應用,基本上都囊括在了這篇文章(SpaceX Launches 3D-Printed Part to Space, Creates Printed Engine Chamber)之中。

在 2014 年 1 月 6 日,SpaceX 發射了一枚獵鷹 9 號火箭,這枚火箭其中一台 Merlin 1D 引擎有一個 3D 打印製造的主要氧化劑閥門(Main Oxidizer Valve,MOV)。相比傳統部件,使用 3D 打印技術製造的部件具有更高的強度、延展性以及斷裂強度。3D 打印的 MOV 只花了兩天時間來生產,而使用傳統澆鑄技術生產則需花費數月。

作為龍飛船 2 號的引擎,SpaceX 研製的 SuperDraco 引擎,其腔室完全是使用 Inconel 合金打印的。

SuperDraco 引擎於 2013 年底進行了點火測試:

相信 SpaceX 未來會繼續使用 3D 打印技術進行生產。相信 SpaceX 未來會繼續使用 3D 打印技術進行生產。

2. 3D 打印技術的應用前景

3D 打印技術應用在航天上不超過 3 年,那麼這項技術是否有著更廣大的應用前景呢?

我的回答是肯定的。

由於地球與太空之間存在的巨大的運輸成本,在太空中製造的產品,其與地球上的產品進行競爭是毫無優勢可言的。但是,相比從地球上運來的產品,這些在太空中製造的產品在太空市場上顯然更具有競爭力。而 3D 打印技術是太空生產的關鍵性技術,也可能是太空產業化之路的關鍵所在。

首先,3D 打印技術具有可設計性

只需要通過天地間信息的流通,太空中的 3D 打印設備就能夠製造形狀各異、功能各異的產品。想當年哈勃太空望遠鏡剛剛被送上太空的時候,由於鏡面製造時產生的誤差,其所拍攝的照片十分模糊。當年 NASA 的工程師提出的解決方案是,再進行一次航天飛機發射任務,給哈勃安裝一個修正鏡,哈勃才能夠正常使用。

未來在太空中不可避免地會遇到各種突發的硬件事故,如果一些硬件能夠通過 3D 打印技術在軌道上進行現場製造,就能夠為這些問題的解決帶來更多的便利。

除了解決突發事件,3D 打印技術的可設計性讓未來的太空產品充滿了可能性。一個充滿創意的例子是由 Cosmic Lifestyle 設計的零重力水杯。

這種水杯利用了水的表面張力巧妙地解決了太空失重條件下水四處漂浮的問題,從而讓航天員告別水袋使用上水杯,而這種幾何形狀十分複雜的產品使用 3D 打印技術來製造再合適不過了。

其次,3D 打印所使用的原料可以取自太空

航天的成本居高不下的原因是因為地球龐大的引力勢阱,現在 SpaceX 在研究可重複使用火箭技術,以及 ISS 內部先進的循環系統,不就是最大限度地進行可重複使用,以達到降低成本的目的麼。

對於 3D 打印而言,其可重複使用性就顯得格外突出。3D 打印本身就是一項將原材料化零為整的製造技術,如果在太空中製造的產品出現損壞了,只需要把它融化成原材料再次進行打印就可以了。即使考慮原材料損耗,可重複使用的 3D 打印也比一次性使用要便宜得多。前面提到的太空製造公司同樣也在開展 R3DO 項目,旨在研發可重複使用的打印材料。

考慮到未來金屬 3D 打印技術的發展趨勢,以及相比傳統鑄造工藝,金屬 3D 打印出來的產品性能更好(3D打印在打印金屬材料的時候能達到常規機械加工工藝的性能嗎? - 3D 打印)。未來在太空中進行金屬 3D 打印是很有可能的。現在地球軌道附近有那麼多報廢的衛星,並且太空中沒有氧氣,所用的材料並不會氧化,因此未來將這些報廢的衛星作為原料,進行太空中的金屬 3D 打印來生產新的產品是很有前途的。

暢想地再遠一點,以後進行月球開發或者小行星開發,進行就地取材(in-situ)生產絕對是至關重要。在 ESA 最近提出的月球開發願景中就提到,可能會使用以月壤為原料的 3D 打印機器人進行月球基地的搭建,詳見下面的視頻:

【ESA】3D打印出月球基地!

而對於小行星開發,如果 Planetary Resources 公司的小行星採礦計劃或者 NASA 提出的小行星開發戰略能夠順利實施的話, 3D 打印工廠也有可能以小行星為原料地進行生產,從而形成一條完整的太空產業鏈。

此外,3D 打印能夠在太空中組裝大型結構

這一點相比上面兩點可能就更為科幻一點了。我們都知道,目前太空中航天器的大小主要限制於其運載器的大小。如果火箭上面級直徑太小的話,也就限制了航天器的直徑。這同樣也是為什麼空間可展開技術如此重要的原因。

而對於一些不可展開的空間大型結構,比如說 ISS,就必須通過多次發射加近地軌道組裝的形式,像搭積木一樣一點一點地建立起來。

如果 3D 打印技術能夠在太空中得到廣泛應用,並且技術足夠成熟的話,直接在太空中使用 3D 打印機器人進行空間大型結構的製造也不是天方夜譚。事實上,已經有國外公司提出了這樣的想法。

這家名為 Tethers Unlimited 的公司計劃開發一種名為 SpiderFab 的製造系統,直接在太空中打印出大型結構,初期可能只是生產天線、太陽陣、桁架這些東西,如果技術走向成熟也有可能直接打印出航天器、大型空間站的主體結構等等。

總結起來,3D 打印技術剛剛起步,而未來則蘊藏著無限的可能性。3D 打印是一門將人類所想進行具現化的技術,只有創造性的思維才能讓這門技術散發出持續的活力。

而 3D 打印技術在太空中的應用更是方興未艾,不過可以預見,如果太空中的產業鏈要發展起來,那麼其由現在的高成本向低成本逐步轉化的趨勢是不可阻擋的。3D 打印的可重複性和就地生產等等都能夠有效降低在太空中進行生產製造的成本,同時人類也能夠享受 3D 打印帶來的快速與便捷。

因此,在我看來,在人類向著太空發展的歷程中,對 3D 打印技術進行解鎖至關重要。如果未來的人類在太空中還用機床沖壓、用車床切削、用熔融的金屬進行鑄造,你不會懷疑是科技樹點錯了麼?→_→

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想要瞭解更多關於太空 3D 打印的資料,可以收藏 SPACE.COM 的這個頁面 3D Printing in Space ,文章中的很多新聞都是從這裡找到的。

此外,還可以關注萌萌的 @星際移民中心 (Sina Visitor System),會搬運一些有意思的航天新聞。

參考資料:

[1] World's First Zero-Gravity 3D Printer Installed on Space Station

[2] Space Station 3-D Printer Builds Ratchet Wrench To Complete First Phas

[3] 1st Parts from 3D Printer in Space About to Get a Close-Up (Video)

[4] en.wikipedia.org/wiki/M.

[5] Incredible Technology: Spiderlike Robots Could Build Giant Space Structures

標籤:-航天 -太空 -太空探索


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