太空失重環(huán)境下3D打印機(jī)的未來(lái)前景如何？無(wú)重力飛行實(shí)驗(yàn)或成關(guān)鍵

導(dǎo)讀：長(zhǎng)期以來(lái)，在太空微重力環(huán)境下進(jìn)行制造的想法一直都有幾個(gè)明顯的挑戰(zhàn)："重力 "問(wèn)題、質(zhì)量控制和原材料供應(yīng)。然而，一旦該想法得以成功實(shí)施，就地取材并完成制造有可能減輕對(duì)來(lái)自地球資源補(bǔ)給的依賴，使得人類太空中的生存更容易一些。

據(jù)南極熊了解，Made In Space公司早在2011年就曾創(chuàng)造了世界上第一臺(tái)微重力3D打印機(jī)，使得這種科幻的東西變成了現(xiàn)實(shí)。從那時(shí)起，全世界至少有15臺(tái)實(shí)驗(yàn)性3D打印機(jī)在零重力飛行環(huán)境下進(jìn)行了測(cè)試。在企業(yè)、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和航天機(jī)構(gòu)的推動(dòng)下，這類3D打印研究已經(jīng)取得了成功，從2011年至2018年偶爾測(cè)試的幾臺(tái)打印機(jī)到2022年就有6臺(tái)。

事實(shí)上，美國(guó)航天工業(yè)在2011年已經(jīng)開(kāi)始面臨轉(zhuǎn)型，曾經(jīng)名噪一時(shí)的NASA航天飛機(jī)計(jì)劃也在這一年結(jié)束。隨著航天預(yù)算的大幅削減，NASA很快轉(zhuǎn)向私營(yíng)企業(yè)以滿足其許多空間任務(wù)需求，Made In Space公司便是其中的一家杰出代表。

Made In Space源自于奇點(diǎn)大學(xué)（Singularity University），是一家為國(guó)際空間站（ISS）制造3D打印機(jī)的公司，致力于填補(bǔ)太空制造方面的技術(shù)空白。該公司的創(chuàng)始人麥克-陳認(rèn)為：3D打印和太空制造將極大地改變我們今天看待太空探索、商業(yè)化和任務(wù)設(shè)計(jì)的方式。"

△MadeIn Space在拋物線飛行中測(cè)試3D打印機(jī)。圖片來(lái)源：MadeIn Space/Redwire。

與Made In Space（現(xiàn)在歸屬于Redwire公司）一樣，許多其他公司也決定在拋物線飛行中測(cè)試其3D打印技術(shù)。例如，2016年，工程公司和美國(guó)國(guó)家航空航天局的常規(guī)承包商Techshot（也被Redwire收購(gòu)）與制造商nScrypt合作，創(chuàng)造了第一臺(tái)微重力生物打印機(jī)，并在零重力公司飛行的飛機(jī)上進(jìn)行了測(cè)試，該公司在美國(guó)機(jī)場(chǎng)完成了失重飛行實(shí)驗(yàn)。

飛機(jī)在墨西哥灣上空30000英尺（約9144米）時(shí)開(kāi)始下落，模擬出失重狀態(tài)，同時(shí)飛機(jī)上的生物打印機(jī)開(kāi)始使用人類干細(xì)胞創(chuàng)建心臟和血管結(jié)構(gòu)。與“太空制造 “一樣，Techshot和nScrypt后來(lái)將生物打印機(jī)送往國(guó)際空間站美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，宇航員在那里使用它來(lái)制造人類膝關(guān)節(jié)軟骨測(cè)試印跡和其他人體組織。

太空制造的歷史

幾十年來(lái)，就地制造一直被作為一種在軌道上生產(chǎn)零部件的方法進(jìn)行研究，以滿足地外環(huán)境中即時(shí)獲取零件的需求。在20世紀(jì)60年代末，蘇聯(lián)宇航員在太空中進(jìn)行了第一次焊接實(shí)驗(yàn)，作為其空間制造研究的一部分。在接下來(lái)的十年里，美國(guó)開(kāi)始在美國(guó)宇航局發(fā)射的第一個(gè)空間站Skylab中進(jìn)行空間制造實(shí)驗(yàn)。

但是通向太空制造的大門在于對(duì)拋物線飛行條件的研究，它可以在地球上的飛機(jī)上重現(xiàn)無(wú)重力條件。通過(guò)交替的向上和向下的弧線，它們?yōu)榭茖W(xué)家提供了必要的微重力環(huán)境，以進(jìn)行研究，而無(wú)需實(shí)際前往太空。這種模擬失重可能始于20世紀(jì)60年代美國(guó)軍用飛機(jī)上的第一個(gè)飛行空間實(shí)驗(yàn)室。不過(guò)，它仍然擴(kuò)大并引入到了一些私營(yíng)企業(yè)，如美國(guó)的Zero-G公司和法國(guó)的Novespace公司。

拋物線飛行：實(shí)現(xiàn)在軌3D打印的“重要一關(guān)“

隨著有了更多的選擇來(lái)重現(xiàn)太空中獨(dú)特的失重狀態(tài)，我們已經(jīng)見(jiàn)證了一系列的打印機(jī)在拋物線飛行中成功測(cè)試。例如，在2016年底，伯明翰大學(xué)先進(jìn)材料和加工實(shí)驗(yàn)室（AMP實(shí)驗(yàn)室）的Luke Carter在三個(gè)獨(dú)立的拋物線飛行中展示了微重力下的金屬3D打印。通過(guò)創(chuàng)造一個(gè)類似定向能量沉積（DED）的打印過(guò)程，并使用鋁線作為原料，卡特和他的團(tuán)隊(duì)制作了一個(gè)近凈成形的零件。

然后在2017年，由國(guó)家研究委員會(huì)和加拿大航天局支持的加拿大減重實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)賽（CAN-RGX）選擇了兩個(gè)團(tuán)隊(duì)在拋物線飛行中測(cè)試其3D打印實(shí)驗(yàn)。來(lái)自多倫多大學(xué)的AVAIL團(tuán)隊(duì)（分析液體中的粘度和慣性）建立了一個(gè)系統(tǒng)，控制粘性液體（本例中為玉米糖漿）通過(guò)15個(gè)不同的噴嘴，而來(lái)自阿爾伯塔大學(xué)的iSSELab團(tuán)隊(duì)（界面科學(xué)和表面工程實(shí)驗(yàn)室）收集了在減重力環(huán)境下3D打印材料的數(shù)據(jù)。

△SpaceFoundry在零重力測(cè)試飛行期間的打印。圖片來(lái)源：Space Foundry

次年，一架歐洲拋物線飛行器在新西蘭搭載中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用技術(shù)與工程中心的科學(xué)家在微重力環(huán)境下測(cè)試了第一臺(tái)陶瓷DLP 3D打印機(jī)。在這次成功的活動(dòng)之后，NASA選擇了Gregory Whiting副教授和他的研究小組來(lái)測(cè)試和模擬3D打印功能材料在月球重力下如何工作。Whiting的研究小組，即博爾德實(shí)驗(yàn)電子和制造實(shí)驗(yàn)室，已經(jīng)為2021年的兩次拋物線飛行做了準(zhǔn)備。

在相近的時(shí)間段內(nèi)，慕尼黑應(yīng)用科學(xué)大學(xué)的工程系學(xué)生也建造了一臺(tái)帶有擠出機(jī)的3D打印機(jī)，用于分配液體光聚合物，該研究是在歐洲航天局（ESA）的第74次拋物線飛行活動(dòng)中從德國(guó)帕德博恩-利普施塔特機(jī)場(chǎng)起飛開(kāi)展的。

2022年，一些令人難忘的零重力3D打印實(shí)驗(yàn)包括Space Foundry對(duì)天基電子打印的測(cè)試，該測(cè)試得到了NASA的飛行機(jī)會(huì)和小企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）計(jì)劃的支持。此外，加州大學(xué)伯克利分校的研究團(tuán)隊(duì)在5月10日測(cè)試了 "復(fù)制器"——一種基于光刻原理的3D打印機(jī)，打印了100多個(gè)物體。另外，一個(gè)德國(guó)企業(yè)測(cè)試了其專利的3D打印工藝，并首次使用金屬粉末在零重力下進(jìn)行3D打印。

上述提及的諸多太空3D打印的應(yīng)用嘗試都要?dú)w功于無(wú)重力飛行，與之相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和過(guò)去幾年內(nèi)進(jìn)行的類似實(shí)驗(yàn)也在下表中進(jìn)行了匯總：