3D打印機(jī)攻入太空

□ 談 纓

編者按：在過去的一年中，全球科技技術(shù)領(lǐng)域大舉挺進(jìn)，其中不乏里程碑式的突破。美國《麻省理工學(xué)院技術(shù)評(píng)論》雜志從中挑選出2014年十大突破科學(xué)技術(shù)，涉及生活、生產(chǎn)、醫(yī)療等行業(yè)。而這些進(jìn)步是否將會(huì)成為各行業(yè)的強(qiáng)大推動(dòng)力量？又或是成為業(yè)內(nèi)強(qiáng)有力的儲(chǔ)備力和競爭力？本刊將目光聚焦剛剛攻陷最 后一塊領(lǐng)地的3D太空打印機(jī)。

2014年9月21日，美國航宇局（NASA） 的首臺(tái)針對(duì)零重力環(huán)境 設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)搭載太空探 索技術(shù)公司“龍”貨運(yùn)飛船發(fā)射升空，隨后 順利到達(dá)國際空間站，并對(duì)接成功。

首臺(tái)太空3D打印機(jī)的誕生

這臺(tái)3D打印機(jī)的生產(chǎn)商是太空制造公司（Made in Space）。太空制造公司與美國航宇局馬歇爾太空飛行中心合作進(jìn)行3D零重力打印實(shí)驗(yàn)，旨在開發(fā)地球之外生產(chǎn)制造能力。

這臺(tái)上太空的3D打印機(jī)經(jīng)受了嚴(yán)格微重力環(huán)境下的試驗(yàn)。早在2011年，太空制造公司就在零重力環(huán)境下對(duì)多項(xiàng)3D打印技術(shù)進(jìn)行了測(cè)試。到上天前，該公司對(duì)太空3D打印機(jī)進(jìn)行了400多次微重力拋物線試驗(yàn)。

因?yàn)?D打印機(jī)的工作方式是通過噴射塑料層從而疊加成一個(gè)完整的物件，而在基本沒有重力的情況下，不會(huì) 有向下的引力讓材料下沉后互相結(jié)合。在飛行試驗(yàn)中，零重力飛機(jī)會(huì)以拋物線軌跡來模擬出接近零重力的環(huán)境。在微重力的條件下，打印出來的物品與在地球上相比主要區(qū)別在于濃度。經(jīng)過一系列改進(jìn)之后，打印機(jī)在微重力環(huán)境下噴射出的塑料濃 度已經(jīng)能達(dá)到和地球環(huán)境同樣水平。

發(fā)熱則是另外一個(gè)可能遇到的問題，因?yàn)闊崃吭谖⒅亓Νh(huán)境下傳播也不同于平常，可能導(dǎo)致熱敏材料溫度過高或過低，這樣都會(huì)讓3D打印機(jī)無法正常工作。

3D打印機(jī)在被發(fā)射上天之前，在美國航宇局經(jīng)受了20000小時(shí)的打印測(cè)試，直到發(fā)射不久前才完成。打印機(jī)在測(cè)試中的表現(xiàn)良好，被提前交付。

首發(fā)太空的這臺(tái)3D打印機(jī)，大約有30厘米高、24厘米寬，38厘米長，與小型 微波爐大小差不多，它被安裝在空間站的微重力科學(xué)手套箱（MSG）里。設(shè)備被安裝在軌道實(shí)驗(yàn)室后，要通過一系列的測(cè)試，通 過測(cè)試幫助美國航宇局了解增材制造（additive manufacturing）——俗稱3D打印，通過演示3D打印零部件或工具，了解3D打印是否 具備了在零重力環(huán)境下打印出準(zhǔn)確、堅(jiān)固物體的能力,是否在 太空切實(shí)可行。

諱莫如深的太空3D打印

這款3D打印機(jī)是針對(duì)零重力環(huán)境設(shè)計(jì)的，是為了測(cè)試航天員在微重力下自主制造零部件和工具的可行性。設(shè)計(jì)這臺(tái)機(jī)器的太空制造公司一直未透露準(zhǔn)備打印什么，只說：“我們想打印有重要意義的東西，而不只是玩意兒，要打印的一定是有實(shí)用功能的。”

室溫下，分別用超純水配制50 mL質(zhì)量濃度為200 ng·L-1的HHCB和AHTN溶液，用H2SO4和NaOH將反應(yīng)體系的pH值分別調(diào)節(jié)為1、2、3、4、5、6、7、8、9，H2O2的投入量為 800 μmol·L-1，F(xiàn)e2+的用量為 400 μmol·L-1，反應(yīng)時(shí)間為 60 min。不同反應(yīng)體系初始pH值下HHCB和AHTN的去除率如圖9所示。

美國航宇局馬歇爾航天飛行中心國際空間站3D打印項(xiàng)目主管尼基·韋克海澤談到，“在太空軌道，當(dāng)你需要什么時(shí)，3D打印機(jī)就能做出來，它真正是游戲規(guī)則的改變者。這第一臺(tái)3D打印機(jī)發(fā)送至國際空間站是為了技術(shù)演示，因?yàn)閲H空間站是太空微重力環(huán)境下，目前我們?cè)谔丈线M(jìn)行完整測(cè)試的唯一實(shí)驗(yàn) 室和能打印整個(gè)零部件的唯一平臺(tái)”。

這臺(tái)微波爐大小的3D打印機(jī)使用ABS塑料，即生產(chǎn)樂高積木的材料，可以打印10厘米×5厘米大小的物品。

首臺(tái)太空3D打印機(jī)將用于制造測(cè)試樣本，之后用于制造一 系列的零部件，例如各種工具和科學(xué)儀器。 最初目標(biāo)很簡單，通過打印技術(shù)演示了解在微重力環(huán)境下3D打印機(jī)是如何工作，了解在 成為最終產(chǎn)品的過程中材料是如何變化的。

太空制造公司網(wǎng)站上寫著：伴隨地球之外制造時(shí)代開啟，首個(gè)打印出的零部件或產(chǎn)品不管是什么，會(huì)有一天，它將被認(rèn)為具有歷史性意義。

首個(gè)太空3D打印件誕生

被送上國際空間站的這臺(tái)3D打印機(jī)于2014年11月17日由航天員巴里·維爾莫安裝在國際空間站“微重力科學(xué)手套箱”內(nèi)。

3D打印機(jī)壓制材質(zhì)選用熔點(diǎn)較低的塑膠，為了避免功能異常帶來的人員傷害，全程在手套箱中試驗(yàn)。美國航宇局在 2014 年 11 月 19 日表示 3D打印機(jī)在微重力狀態(tài)下能正常運(yùn)作。11月24日美國航宇局在國際空間站運(yùn)用3D打印技術(shù)成功打印出了首個(gè)部件，尺寸為7.6厘米×3.8厘米×0.6厘米，印著“太空制造/NASA”字樣的銘牌。打印工作花了1個(gè)小時(shí)。至此，首個(gè)太空3D打印件誕生了。

負(fù)責(zé)人尼基·韋克海澤表示：“這第一份作品是在地球以外實(shí)現(xiàn)3D打印批量化的重要一步”。

3D打印項(xiàng)目第一階段的主要目標(biāo)是在軌鑒定3D打印技術(shù)，保證其能像在地面上一樣正常工作?？臻g站上打印出的試制品將和同類樣品進(jìn)行比較。在太空3D打印機(jī)制造出來的物件是否和在地面上制造的一樣精確，需送回地球，供專家進(jìn)行測(cè)試研究。這第一件太空3D打印作品將于2015年初，被送返地球。國際空間站上的3D打印機(jī)已利用從地面上傳的設(shè)計(jì)文件打印出一只扳手，結(jié)束了其第一階段在軌試運(yùn)行工作。這只扳手也將在2015年初一同送回地面，并與該打印機(jī)發(fā)射前在地面上制作的物品進(jìn)行比較。NASA試驗(yàn)采用地面上傳設(shè)計(jì)是為了證實(shí)能實(shí)現(xiàn)按需打印，而這對(duì)于飛往火星的長期旅行至關(guān)重要。扳手設(shè)計(jì)和安全性審核等工作只用了不到一周時(shí)間，站上打印工作用了不到4個(gè)小時(shí)。第二階段試運(yùn)行工作應(yīng)會(huì)在2015年初啟動(dòng)。項(xiàng)目的第二階段將把重點(diǎn)放在站上打印件的實(shí)際使用上。

這次打印讓NASA知道了在微重力環(huán)境下，零配件比在地球上更粘打印托盤，這可能是在軌道上的國際空間站中的塑料層粘合劑不同造成的。

具有重要意義的一步

美國航宇局測(cè)試太空3D打印的目的是將從地球向太空運(yùn)送零部件和工具的次數(shù)降至最低，加快空間站的自給自足。美國航宇局對(duì)3D打印抱有很高的期望，認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)可降低航天飛行成本，并為更大膽的載人探測(cè)任務(wù)創(chuàng)造條 件。太空探索技術(shù)公司也認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)具有光明的前景。

零重力3D打印機(jī)被設(shè)計(jì)成大部分操作由地面操控。航天員唯一真正要做的工作就是移走完成的打印，重置下一個(gè)打印機(jī)項(xiàng)目。

尼基·韋克海澤表示，“我們?cè)O(shè)計(jì)在微重 力環(huán)境下打印的零部件時(shí)，不需再考慮發(fā)射載荷的問題”。

尼基·韋克海澤描述談到，“我們能夠從地面直接上傳文件至打印機(jī)，太空探索技術(shù)公司也能在加利福尼亞的辦公室用便攜電腦發(fā)出指令。此外，從阿拉巴馬亨茨維爾航天地面控制中心也可直接發(fā)送指令或郵件到打印機(jī)，把打印物體的設(shè)計(jì)藍(lán)圖傳給航天員，讓他們直接打印出即可，而不用像現(xiàn)在這樣，每次都要發(fā)射火箭把所需的設(shè)備（如培養(yǎng)皿）送給航天員。當(dāng)我們能夠通過上傳指令或郵件制造出零部件從而取代通過發(fā)射送到太空軌道，你能想象這是一件多酷的事情”！

未來前景

太空探索技術(shù)公司CEO艾倫·馬斯克說，“3D打印實(shí)驗(yàn)是美國航宇局未來重點(diǎn)發(fā)展方向之一，3D打印零配件和工具增 強(qiáng)了太空任務(wù)的可靠性和安全性，同時(shí)能夠有效降低制造成本。

尼基·韋克海澤說，“3D打印是一項(xiàng)令人興奮的技術(shù)，它將使我們的太空生活和工作具有地球相同的效率和生 產(chǎn)能力，我們最終目標(biāo)是消除對(duì)地球材料和零配件的依賴性”。

美國航宇局局長查爾斯·博爾登表示，“美國航宇局將繼續(xù)探索太空，無論是對(duì)小行星進(jìn)行定位或?qū)⑷祟愃椭粱鹦牵覀冃枰锩缘募夹g(shù)，以減少運(yùn)載貨物的航天器的質(zhì)量和體積”，“未來，航天員或許能夠在空間打印出他們所需的工具或部件”。

太空探索技術(shù)公司和美國航宇局團(tuán)隊(duì)設(shè)想，未來3D打印可實(shí)現(xiàn)在太空制造整個(gè)航天器，空間任務(wù)所需物資幾乎能自給自足，且能夠在太空中制造多數(shù)他們所需的零件等。

除了用于在軌航天器的設(shè)計(jì)制造外，3D打印設(shè)備還可與機(jī)器人系統(tǒng)一起工作，為人類登上火星，以及在其他行星上執(zhí)行任務(wù)制造所需的住所和工具。住所和實(shí)驗(yàn)室也可由機(jī)器人通過打印建造構(gòu)件來制造，這些建造構(gòu)件可利用行星上的資源，如土壤或礦物來實(shí)現(xiàn)。長期執(zhí)行空間任務(wù) 的航天員也可打印和回收他們所需的工具，可節(jié)省大量的資源。

設(shè)想，未來的太空旅行中，許多物品無需在飛船發(fā)射時(shí)就準(zhǔn)備好，可以等需要的時(shí)候打印出來。此外，在地球重力環(huán)境下制造的物品未必適用于太空零重力環(huán)境，而太空打印可以解決這個(gè)問題。

目前，太空探索技術(shù)公司與美國航宇局馬歇爾太空飛行中心建立合作關(guān)系，共同完成3D打印零重力實(shí)驗(yàn)(簡稱3D打印實(shí)驗(yàn))，將開 啟太空制造能力，幫助人類未來在太陽系其它星球建立殖民基地。該團(tuán)隊(duì)甚至還有另外一個(gè)創(chuàng)意，他們想把3D打印機(jī)器人發(fā)送到火星或月球，然后利用上面的土壤材料開發(fā)未來建筑。