自20世紀以來，人類一直著迷于探索太空和了解地球之外的事物。美國國家航空航天局(NASA)和歐洲航天局(ESA)等主要組織一直處于太空探索的前沿。在這一過程中，另一個重要的參與者是3D打印。由于能夠低成本、快速生產(chǎn)復雜零件，3D打印技術越來越受歡迎。它被創(chuàng)造性應用于衛(wèi)星、宇航服和火箭部件的制造和生產(chǎn)。事實上，據(jù)Smar Tech稱，到2026年，私營航天行業(yè)增材制造的市場價值預計將達到21億歐元。這就引出了一個問題：3D打印如何幫助人類在太空中更進一步？

*初，3D打印主要用于醫(yī)療、汽車和航空航天領域的快速原型制作。然而，隨著3D打印技術的大眾化，它越來越多用于*終用途零件。金屬增材制造技術，特別是L-PBF（激光粉末床熔合），可以生產(chǎn)各種具有適應太空極端條件性能和耐受性的金屬。其他3D打印技術，如DED(定向能量沉積)、黏結(jié)劑噴射和擠壓技術，也被用于制造航空航天部件。

航空航天領域的3D技術

L-PBF（激光粉末床熔合）在航空航天領域中應用*為廣泛。這一過程涉及使用激光能量將金屬粉末一層一層熔合在一起。它特別適用于小型、復雜、精細和定制零件的生產(chǎn)。航空航天制造也可以從DED(定向能量沉積)中受益，該技術涉及用沉積金屬絲或粉末修復、涂覆或生產(chǎn)定制金屬或陶瓷零件。

相比之下，黏結(jié)劑噴射盡管在生產(chǎn)速度和成本方面具有優(yōu)勢，但不適合生產(chǎn)機械性能高的零件。這是因為它需要后處理加固步驟，從而增加了*終產(chǎn)品的制造時間。擠壓技術在太空環(huán)境中也很有效。盡管這種3D打印技術還不太普遍，但通過使用PEEK（聚醚醚酮）等高性能塑料替代一些金屬部件，它可能成為太空探索的寶貴資產(chǎn)。

太空材料的潛力

航空航天業(yè)一直在利用3D打印來探索新材料并提出可能改變市場的創(chuàng)新替代產(chǎn)品。月球風化層——一種覆蓋在月球表面的塵埃，可能很快會成為新的焦點。歐洲航天局的*制造工程師Advenit Makaya將月球風化層描述為類似于混凝土，主要由硅和鐵、鎂、鋁等其他化學元素以及氧氣組成。通過與Lithoz合作，歐洲航天局使用模擬真實月球塵埃特性的月球風化層模擬物生產(chǎn)了螺釘和齒輪等小型功能部件。

利用月球風化層制造的大多數(shù)工藝都需要熱量，這使得它與SLS（選擇性激光燒結(jié)技術）和使用粉末粘合技術的打印解決方案兼容。歐洲航天局還在研究D-Shape技術，目標是將氯化鎂與材料混合，通過與模擬物中存在的氧化鎂相結(jié)合來制造固體部件。這種月球材料的顯著優(yōu)勢之一是其更精細的打印分辨率，使其能夠生產(chǎn)*高精度的零件。這一特性可能使之成為擴大應用范圍和制造適合未來月球基地部件的重要資產(chǎn)。

3D打印在航空航天中的不同應用

增材制造具有廣泛的應用，包括小型和大型部件的生產(chǎn)。3D打印技術可用于制造大型部件，如火箭坦克和螺旋槳葉片。美國相對論空間公司通過生產(chǎn)“人族1號”（Terran1）已經(jīng)成功證明了這一點。這是一種幾乎完全是3D打印的火箭，它于2023年3月23日進行*發(fā)射，展示了增材制造技術的效率和可靠性。

擠壓式3D打印技術還允許使用PEEK等高性能材料來生產(chǎn)零件。由這種熱塑性塑料制成的部件已經(jīng)在太空中進行了測試，并作為阿聯(lián)酋登月任務的一部分安裝在拉希德號月球車上。該測試的目的是評估PEEK對月球極端條件的耐受性。如果成功，PEEK可能會在金屬部件破損或材料稀缺的情況下取代它們。此外，PEEK的輕質(zhì)特性在太空探索中可能具有價值。

3D打印在航空航天領域的優(yōu)勢

3D打印是一項*吸引力的技術，與傳統(tǒng)構(gòu)造技術相比具有優(yōu)勢，特別是在零件的*終外觀方面。奧地利3D打印機制造商Lithoz首席執(zhí)行官Johannes Homa表示，“這項技術使零件變得更輕�！庇捎谠O計自由，印刷產(chǎn)品效率更高，需要的資源更少。這對零件生產(chǎn)的環(huán)境影響產(chǎn)生積極影響。相對論空間公司已經(jīng)證明增材制造可以明顯減少制造航天器所需的組件數(shù)量，如“人族1號”火箭節(jié)省了100個零件。此外，該技術在生產(chǎn)速度方面具有明顯優(yōu)勢，火箭在不到60天的時間內(nèi)完成。相比之下，使用傳統(tǒng)方法建造火箭可能需要數(shù)年時間。

在資源管理方面，3D打印可以節(jié)省材料，在某些情況下還可以回收廢物。*后，增材制造可能成為減輕火箭起飛重量的寶貴資產(chǎn)。目標是*大限度地利用當?shù)夭牧�，例如風化層，并*大限度地減少航天器中材料的運輸。這樣就可以只攜帶3D打印機，在航行完成后現(xiàn)場創(chuàng)建所有東西。

太空3D打印的局限性

盡管3D打印具有許多優(yōu)點，但該技術仍然相對較新，并且有其局限性，Advenit Makaya表示，“航空航天領域增材制造的主要問題之一是過程的控制和驗證�！敝圃焐炭梢赃M入實驗室，在驗證之前對每個零件進行強度、可靠性和微觀結(jié)構(gòu)測試，這一過程稱為無損檢測(NDI)。然而，這可能既耗時又昂貴，因此*終目標是減少對這些測試的需求。NASA*近成立了一個中心來解決這個問題，重點關注增材制造金屬零件的快速認證。該中心旨在使用數(shù)字孿生改進產(chǎn)品的計算機模型，這將幫助工程師更好地了解零件的功能和局限性，包括它們在斷裂之前可以承受多少壓力。通過這樣做，該中心預計將有助于促進3D打印在航空航天業(yè)的應用，使其與傳統(tǒng)制造技術相比更具競爭優(yōu)勢。

另一方面，如果制造是在太空中完成的，驗證過程就會有所不同。ESA的Advenit Makaya解釋道：“有一種技術可以在打印零件時對其進行分析�！贝朔椒ㄓ兄�于確定哪些印刷產(chǎn)品適合，哪些印刷產(chǎn)品不可用。此外，還有一種用于太空3D打印機的自我校正系統(tǒng)，該系統(tǒng)正在金屬機器上進行測試。該機器可以識別制造過程中的潛在錯誤，并自動改變其參數(shù)以糾正零件中的任何缺陷。這兩個系統(tǒng)有望提高太空印刷產(chǎn)品的可靠性。

生活在太空？

隨著3D打印技術的進步，我們在地球上看到了許多使用該技術建造房屋的成功項目。這讓我們想知道，在不久或遙遠的將來，這個過程是否可以用于在太空中建造可居住的結(jié)構(gòu)。雖然目前在太空生活并不現(xiàn)實，但建造房屋，特別是在月球上，對于執(zhí)行太空任務的宇航員來說將是有益的。歐洲航天局（ESA）的目標是利用月球風化層在月球上建造圓頂，這些風化層可用于建造墻壁或磚塊以保護宇航員免受輻射。歐空局的Advenit Makaya表示，月球風化層由約60%的金屬和40%的氧氣組成，是宇航員生存的重要材料，因為如果從該材料中提取，它可以提供取之不盡的氧氣來源。

NASA已向ICON撥款5720萬美元，用于開發(fā)用于月球表面建造的3D打印系統(tǒng)，并且還與該公司合作創(chuàng)建一個火星家園，名為Mars Dune Alpha。目標是測試火星上的生活條件，讓志愿者在家中生活一年，以模擬這顆紅色星球上的條件。這些努力代表了直接在月球和火星上建造3D打印結(jié)構(gòu)的重要一步，這*終可能為人類殖民太空鋪平道路。