加州大学在亚太空轨道测试光刻3D打印机，有望改变太空探索游戏规则

在未来的深空任务中，距离地球数百万英里的航天器上的一个破裂部件很可能会导致灾难。但加州大学伯克利分校的一组研究人员已经在努力改变这一现状。2024 年 6 月 8 日，他们的尖端 3D 打印机 SpaceCAL 搭乘维珍银河的 07 号任务进行了一次短暂但具有开创性的太空之旅。在短短 140 秒的亚轨道飞行中，打印机成功制造出测试部件，展示了太空按需制造的潜力。这种能力对于远远超出我们目前能力的未来任务至关重要。

△VSSUnity 上的 SpaceCAL 3D 打印机，于 2024年 6 月 8 日等待发射。图片由维珍银河提供。

该项目的负责人是伯克利大学机械工程系的博士生兼研究生 Taylor Waddell。Waddell 的背景令人印象深刻，包括他在美国宇航局肯尼迪航天中心担任路径规划工程师，在那里他从事各种前沿项目，从设计美国宇航局的太空发射系统 (SLS) 火箭的硬件到开发用于工程应用的虚拟现实 (VR) 工具。

在伯克利，沃德尔在海登·泰勒教授的指导下领导 SpaceCAL 项目，泰勒教授因其在革命性的 3D 打印工艺计算轴向光刻 (CAL) 方面的开创性工作而闻名。他们共同推动太空制造的界限，旨在使按需打印关键部件和医疗用品成为未来深空任务的现实。

△CAL（计算轴向光刻）打印技术的飞行硬件版本。图片由 Taylor Waddell 通过 LinkedIn 提供。

SpaceCAL 的旅程是太空制造业不断发展的一部分。虽然太空 3D 打印并不是什么新鲜事，毕竟国际空间站(ISS) 上已经装配打印机了，但 Waddell 和他在伯克利的团队想要走得更远。他们一直在努力完善 SpaceCAL，这是一项下一代技术，旨在通过扩大可在太空打印的材料和物体范围来进一步减少对地球的依赖。该技术潜在的应用范围非常广泛，从制造关键的航天器部件到宇航员的医疗用品。

△SpaceCAL团队成员在维珍银河发射场（从左到右）：Sean Chu、JakeNickel、Austin Portinause、TaylorWaddell 和 Brian Chung。图片由维珍银河提供。

在搭乘维珍太空飞船 (VSS) Unity 太空飞机（维珍银河为商业太空旅游和科学研究而设计的 SpaceShipTwo 舰队的一部分）进入亚轨道空间的短暂 140 秒旅程中，SpaceCAL 自主打印并后期处理了四个测试部件。其中包括航天飞机的微型模型和广受欢迎的 3D 打印基准 Benchy 小雕像或3DBenchy，这是一种小型、高度详细的模型。这些打印件使用的材料是 PEGDA，这是一种液态塑料，在光引发剂存在下暴露在光线下会变硬。

Waddell 说：“SpaceCAL在过去的抛物线飞行测试中在微重力条件下表现良好，但它仍有一些事情需要证明。这项最新任务由 NASA 的飞行机会计划资助，并得到了伯克利工程公司和伯克利航天中心的支持，使我们能够验证这项 3D 打印技术是否适合太空旅行。我们希望有一天它可以用于制造从航天器的零件和工具到机组人员的新隐形眼镜和牙冠等一切东西。”

此次任务的成功标志着该项目的一个重要里程碑，因为在实际太空条件下的测试验证了打印机已准备好执行更雄心勃勃的任务。

△由SpaceCAL 打印的航天飞机模型，在微重力环境下漂浮，并经过全面后期处理。图片由 TaylorWaddell 提供。

计算轴向光刻 (CAL)技术

SpaceCAL 背后的技术是计算轴向光刻 (CAL)，由伯克利和劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL) 的研究人员于 2017 年开发。

CAL技术的原理通过反向应用计算机断层扫描 (CT) 技术来实现体积制造，通过从多个角度曝光光聚合物树脂体积来制造结构，在每个角度更新光场。必要的光场在空间和/或时间上是多路复用的，这样它们在目标树脂体积中的总能量剂量将树脂交联成用户定义的几何形状。这些光场可以是静态的或动态的，可以由空间光调制器 (SLM) 生成，该调制器控制光场的相位或振幅（或两者兼而有之）以提供必要的强度分布。

事实上，CAL 可以在短短 20 秒内打印出零件。但 CAL 的与众不同之处不仅在于速度，还在于它能够在微重力环境下有效运行。这使其成为太空应用的理想候选者。

沃德尔表示：“借助 CAL，我们能够证明——首先是在零重力任务中，现在在这次太空飞行中——我们可以在微重力环境下打印地球上无法打印的部件。”

到目前为止，CAL 已经证明它可以成功打印地球上 60 多种不同的材料，例如硅胶、玻璃复合材料和生物材料。Waddell 表示，多功能性对机舱和机组人员都很有用。

专家指出：“因此，有了舱室，如果你的航天器出现故障，你可以打印 O 形环或机械支架甚至工具。但 CAL 还能够修复机组人员。我们可以打印假牙、皮肤移植物或镜片，或为宇航员打印个性化的急救药品，这在这些任务中也非常重要。”

事实上，LLNL 已经获得了 NASA的资助，将在国际空间站上使用 CAL 技术测试生物打印。该任务的长期目标是在太空中打印人体器官，并将其带回地球用于移植。

△美国宇航局艾姆斯研究中心的 SpaceCAL 团队成员（从左到右）：Dillon Balk、Sean Chu、Ameera Elgonemy 和 Brian Chung。图片由 Taylor Waddell 提供。

沃德尔将该项目的成功归功于许多人的贡献，从海登·泰勒纳米级制造实验室的同学到确保任务成功的维珍银河工程师。沃德尔还表示，他的导师泰勒教授给了他自由探索自己热爱的领域，并带领项目朝着他认为最有前途的方向发展。

该项目得益于 NASA 提供的 140万美元资助和工程支持。此外，维珍银河在将该项目提升到新水平方面发挥了关键作用。凭借这次成功的任务，Waddell和他的团队希望与 NASA 密切合作，进一步开发 CAL 技术。

随着太空探索的不断发展，在太空中制造零部件和物资的能力将变得越来越重要。无论是为宇航员打印牙冠，还是为紧急医疗程序打印手术工具，可能性都是无穷无尽的，而 SpaceCAL 可能正是适合这项工作的打印机。

△SpaceCAL任务补丁，标志着 3D 打印机首次进入太空。图片由 KirkMendoza 提供。