综述：3D打印能促进太空探索吗？

来源：3dnatives



自 20 世纪以来，人类一直着迷于探索太空和了解地球以外的事物。本文主要介绍NASA（美国航天局）和ESA（欧空局）在太空探索方面的一些工作。这场征服的一个重要参与者是 3D 打印。由于能够以低成本快速生产复杂零件，这种技术在航天领域越来越受欢迎。它可以用来制造例如卫星、宇航服和火箭部件等。事实上，据 SmarTech 称，到 2026 年，私人航天行业增材制造的市场价值预计将达到21 亿欧元 。这就引出了一个问题：3D 打印如何帮助人类在太空中更加突出？

最初，3D 打印主要用于医疗、汽车和航空航天领域的快速成型。然而，随着技术的普及，它越来越多地用于最终用途部件。金属增材制造技术，特别是激光粉末床熔合(L-PBF)，已允许生产各种具有适用于极端太空条件的特性和耐受性的金属零件。其他 3D 打印技术，例如定向能量沉积(DED)、粘合剂喷射和挤出工艺, 也用于制造航空航天部件。近年来，出现了新的商业模式，Made in Space 和Relativity Space等公司使用 3D 打印技术设计制造航空航天部件。


△Relativity Space 为航空航天业开发 3D 打印机（图片来源：Relativity Space）

航空航天中的 3D 技术

让我们更仔细地研究一下航空航天工业中使用的各种 3D 打印技术。首先，应该指出金属增材制造尤其是L-PBF，是该领域应用最广泛的。这个工艺使用激光能源将金属粉末逐层熔合在一起。它特别适用于生产小型、复杂、精细和定制的零件。航空航天制造商也可以从 DED 中受益，它沉积金属线或粉末，主要用于修复、涂层或生产定制的金属或陶瓷部件。

相比之下，粘合剂喷射尽管在生产速度和低成本方面具有优势，但不适合生产具有高机械性能的零件。这是因为它需要后处理强化步骤，这会增加最终产品的制造时间。挤出技术在太空环境中也很有效，但并非所有的聚合物都适合在太空中使用，PEEK 等高性能塑料凭借其强度可以替代部分金属部件。然而，这种 3D 打印工艺仍然不太普及，但它可以通过使用新材料成为太空探索的宝贵资产。



△粉末床上的激光融合是航空航天 3D 打印中广泛使用的工艺（图片来源：DMG Mori）

空间材料的潜力

航空航天业一直在利用 3D 打印探索新材料，并提出可能改变市场的创新替代品。虽然钛、铝和铬镍铁合金等金属一直是主要关注点，但有一种新材料可能很快就会成为焦点：月球风化层。月球风化层是一种覆盖月球的尘埃，欧空局已经展示了将其与 3D 打印相结合的好处。欧洲航天局高级制造工程师 Advenit Makaya 将月球风化层描述为类似于混凝土，主要由硅和其他化学元素（如铁、镁和铝）以及氧气组成。

月球风化层制造所涉及的大部分过程都使用热量，使其与 SLS 等技术和使用粉末粘合工艺的打印解决方案兼容。欧空局还在使用 D-Shape 技术，目标是将氯化镁与材料混合，通过将其与模拟物中存在的氧化镁结合来制造固体部件。这种月球材料的显著优势之一是具有更精细的打印分辨率，能够生产出精度更高的零件。这一特性可能是扩大适用于未来月球基地的应用和制造组件范围的主要资产。


△月球风化层随处可见（图片来源：TriasRnD）

还有火星风化层，指的是在火星上发现的表面物质。目前，国际航天机构无法回收这种物质，但这并没有阻止科学家研究其在某些航空航天项目中的潜力。研究人员正在使用这种材料的模拟物并将其与钛合金结合，以期制造工具或火箭零件。初步结果表明，这种材料将提供更高的强度并保护设备免受生锈和辐射损坏。尽管这两种材料具有相似的特性，但月球风化层仍然是最受考验的材料。另一个优势是这些材料可以直接在现场制造，无需从地球运输原材料。此外，风化层是取之不尽、用之不竭的材料来源。

3D打印在航天领域的不同应用

3D打印技术的应用可以根据所使用的具体工艺而有所不同。例如，激光熔化粉末床工艺可用于制造精细的短期零件，例如工具系统或空间备件。一家名为 Launcher 的加利福尼亚初创公司使用 Velo3D 的蓝宝石金属 3D 打印技术来增强其E-2 液体火箭发动机。制造商的工艺被用来制造感应涡轮，它在加速和驱动 LOX（液氧）进入燃烧室方面起着关键作用。涡轮机和感应器分别使用 3D 打印技术打印出来，然后进行组装。这一创新部件为火箭提供更大的流体流量和更大的推力，使其成为发动机的重要组成部分。



△Velo3D 为使用 PBF 技术制造 E-2 液体发动机做出了贡献（图片来源：Launcher）

增材制造具有广泛的应用，包括小型和大型结构的生产。例如，Relativity Space 的 3D 打印技术可用于制造大型零件，例如火箭油箱和螺旋桨叶片。Relativity Space 已经通过生产 Terran 1 成功地证明了这一点，Terran 1 是一种几乎完全由 3D 打印而成的火箭，包括一个几米大的燃料箱。

基于挤出的 3D 打印技术还允许使用 PEEK 等高性能材料来生产零件。由这种热塑性塑料制成的部件已经在太空中进行了测试，并作为阿联酋月球任务的一部分被放置在拉希德漫游车上。测试的目的是评估 PEEK 对月球极端条件的耐受性。如果成功，PEEK 有可能在金属部件断裂或材料稀缺的情况下取代金属部件。此外，PEEK 的轻质特性在太空探索中可能具有重要价值。


△3D 打印可以为航空航天业制造许多零件

3D 打印在航空航天领域的优势

3D 打印是一项极具吸引力的技术，与传统构造技术相比具有优势，尤其是在零件的最终外观方面。奥地利 3D 打印机制造商 Lithoz 的首席执行官 Johannes Homa 表示，“这项技术使零件更轻。” 由于设计自由，印刷产品效率更高，需要的资源更少。这对零件生产的环境影响产生积极影响。Relativity Space 已经证明，增材制造可以显着减少制造航天器所需的组件数量。以Terran 1 火箭为例，节省了 100 个零件。此外，这项技术在生产速度方面具有显着优势，火箭在不到 60 天内完成。相比之下，使用传统方法制造火箭可能需要数年时间。

在资源管理方面，3D 打印可以节省材料，在某些情况下还可以回收废料。最后，增材制造可能成为减轻火箭起飞重量的宝贵资产。目标是最大限度地利用当地材料，例如风化层，并尽量减少航天器中材料的运输。这使得仅携带 3D 打印机成为可能，它可以在旅行结束后在现场创建所有内容。


△Made in Space 已经将其中一台打印机送入太空进行测试（图片来源：Made in Space）

太空 3D 打印的局限性

尽管 3D 打印具有许多优势，但该技术仍然相对较新并且有其局限性，Advenit Makaya 表示，“航空航天领域增材制造的主要问题之一是流程的控制和验证。”制造商可以进入实验室，在验证之前可以对每个零件的强度、可靠性和微观结构进行测试，这一过程称为无损检测 (NDI)。然而，这可能既耗时又昂贵，因此最终目标是减少对这些测试的需求。NASA 最近成立了一个中心来解决这个问题，专注于对增材制造金属部件的快速认证。中心使用数字孪生改进产品的计算机模型，这将帮助工程师更好地了解零件的性能和局限性，包括它们在断裂前可以承受多大的压力。通过这样做，中心有望帮助促进 3D 打印在航空航天工业中的应用，使其能够更有效地与传统制造技术竞争。


△这些部件经过了全面的可靠性和强度测试（图片来源：Creaform）

另一方面，如果制造是在太空中完成的，验证过程就不同了。ESA 的 Advenit Makaya 解释说：“有一种技术包括在零件打印时对其进行分析。” 此方法有助于确定哪些打印产品适用，哪些不可用。此外，还有一个用于太空的 3D 打印机的自我校正系统，正在金属机器上进行测试。机器可以识别制造过程中的潜在错误，并自动更改其参数以纠正零件中的任何缺陷。这两个系统有望提高打印产品在太空中的可靠性。

为验证 3D 打印解决方案，NASA 和 ESA 制定了标准。这些标准包括要对零件执行以确定其可靠性的一系列测试。它们考虑了粉末床融合技术，并正在针对其他工艺进行更新。然而，材料行业的许多主要参与者，如 Arkema、BASF、Dupont 和 Sabic，也提供这种可追溯性。

生活在太空？

随着 3D 打印技术的进步，我们在地球上看到了许多成功的项目，包括使用这项技术建造房屋。它让我们知道，未来这个工艺是否可以用来建造太空中的可居住结构。虽然目前居住在太空中不切实际，但建造房屋，尤其是在月球上建造房屋，对执行太空任务的宇航员来说是有益的。欧洲航天局 (ESA) 的目标是使用月球风化层在月球上建造圆顶，可用于建造墙壁或砖块以保护宇航员免受辐射。根据 ESA 的 Advenit Makaya 的说法，月球风化层由大约 60% 的金属和 40% 的氧气组成，是宇航员生存必不可少的材料，因为如果从这种材料中提取，它可以提供取之不尽的氧气来源。

NASA 已向ICON 拨款 5720 万美元，用于开发用于月球表面建造的 3D 打印系统，并且还与该公司合作创建一个名为Mars Dune Alpha的火星之家。目标是测试火星上的生活条件，让志愿者在家里生活一年，以模拟红色星球上的条件。这些努力代表了直接在月球和火星上建造 3D 打印结构的重要步骤，这最终可能为人类太空殖民铺平道路。


△在遥远的未来，这些房子可以让生命在太空中生存（图片来源：ICON）

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