太空3D打印离我们有多远？
时间：2022-09-30 11:21 来源：中国科普博览 作者：admin 阅读：次
3D打印技术，又称增材制造，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末颗粒状无机或有机等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。伴随着人类探索外太空步伐的加快，3D打印技术非常适合实现从简单到复杂，从无到有的太空制造过程。
太空3D打印能做什么？
太空3D打印主要解决两个方面的问题：
（1）在飞行过程中帮助运行和维护太空飞船。主要包括：为航天器在空间制造替换零件，拓展航天器的寿命，节约重复发射成本；材料的太空循环利用，可直接利用老化和废旧材料进行回炉再制造，不必耗费新材料，甚至可以利用太空垃圾制造零件，节约成本并且环保；在空间制造地面难以发射的超大尺寸部件光学镜头。
（2）建立适合人类生存的太空基地。当人类到达新的星球的时候，衣食住行都要解决。首先解决住的问题，可以就地取材打印适合人类居住的房屋，房屋结构需要具有保温功能，并可抵挡微小流体攻击和宇宙射线辐射。再就是考虑吃饭问题，打印适合植物生长的阳光房，以种植粮食。最后就是打印人类可以相互走访联系的交通工具等等。
太空3D打印主要存在的难点在哪里？
在太空中进行3D打印绝对不容易，航天器在轨飞行时，会受到地球引力之外多种作用的干扰，如大气阻力、太阳辐射光、重力梯度效应、轨道机动、姿态控制、设备运转和乘员活动等，从而达不到完全“失重”状态，而是一种“微重力”环境。
同样，在新的星球建造太空基地，则主要考虑真空或者大气环境、太阳辐射、引力大小等等因素，例如：月球的重力只有地球的1/6,为真空环境；火星的重力为地球的2/5,主要为二氧化碳气体。
虽然3D打印机的基本设计保持不变，但微重力和气氛环境需要特殊考虑，因此目前在地球上大多数3D打印设备是否适合在微重力不同气氛条件下的打印过程需要重新调查研究，在早期条件不完善不完美的境况下，尽可能将3D打印设备设计的更为简单，要求尽可能降低。
哪些方法适合太空3D打印？
3D打印过程无非就是将含有固液的微滴黏合组合成我们想要的三维立体材料。3D打印方法有很多，但并不是所有方法都适合太空3D打印。在空间站和航天器外面的真空微重力条件下，哪些材料可以进行3D打印一目了然。
在尽可能降低打印条件要求的前提下，过程中含有液体的基本可以排除，因为液体在真空低蒸气压条件下很容易沸腾蒸发，特别是在微重力条件下，很难保持原有的形态，因此一些浆料打印方法可行性较低，例如含有液体的光固化打印方法（SLA）。
还有就是要求有粉体参与的打印方法，在真空微重力环境下，粉体无重力作用很难铺展开来，容易到处飞舞，在太空难以控制如此多的微小目标，在这种要求下，选区激光熔融（SLM）和烧结（SLS）打印方法、电子束熔融和烧结打印方法、黏结剂喷射打印方法（BJ）基本都可以排除在外。
图 各种3D打印方法示意图（图片来源：参考文献[1] ）
国际上普遍采用丝状材料作为太空制造的主要材料形态，其主要采用熔融沉积的方法（FDM）去实现太空3D打印，基本原理为加热头把热熔性材料加热到临界状态，使其呈现半流体状态而不是液体状态，然后加热头会在软件控制下沿CAD 确定的二维几何轨迹运动，同时喷头将半流动状态的材料挤压出来，材料瞬时凝固形成有轮廓形状的薄层。
从这个打印特征来看，整个方法过程中不会有液体和粉体出现，原料在加热条件下变为半流体固态状态，而加热主要为电阻丝加热，而不是激光加热或者电子束加热等要求比较苛刻的加热方式。这种方法最为简单可行。
2020年5月7日，中国首次开展轨道3D打印试验，也是全球首次实现连续碳纤维增强复合材料的太空3D打印（图4）。所采用的技术就是熔融沉积（FDM）3D打印技术，所采用的原料是树脂基连续碳纤维增强复合材料，这种材料在加热的条件下，树脂塑料熔化成半流体状态,遇冷即可黏合在一起，得到想要的复杂结构件。
图4 中国首次太空3D打印连续碳纤维复合材料（图片来源：中国空间技术研究院）
人类建立太空基地的探索
在星球建造太空基地，因为有一定重力条件，粉体的打印相对有一定的可行性，在具备封闭的气氛条件下，液体的打印也可以完成，月球和火星具有创造这样环境的条件。
欧洲航天局与阿尔塔SPA、Monolite有限公司、福斯特建筑事务所和圣安娜高等研究学院组成的工业协会采用D-Shape的黏结剂喷射3D打印技术评估了在月球建造基地的可行性[2]。
他们首先模拟建立了一个环境温度为20℃、真空度在2KPa的封闭环境，并且通过理论计算在此条件下只要控制直径200μm以下黏结剂（墨水）液滴喷射在月球土壤层（73%的粒径小于150μm，81%的粒径小于250μm）上，液滴则不会蒸发，并且能够保持足够长时间的液体状态来让月壤形成网状结构。最后实践用类月壤火山灰打印了构件，经过测试，结果非常好，其具有与混凝土一样的低孔隙率，相容硬度也非常好。
图 D-Shape 打印的建筑（6m×6m×6m）（图片来源：参考文献[3]）
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