定制3D打印機革新航天供應鏈

定制3D打印機革新航天供應鏈

Custom 3D Printers Revolutionize Space Supply Chain

在進入廣袤的太空之前，航天飛行機組人員必須準備好并攜帶其生活及工作所需的所有物品。太空飛行不僅對有效載荷的容量有較高的要求，也向所有物品在航天發射過程中對超重和振動的耐受能力提出了較高的要求。而現在，這一切即將改變。

2015年1月，美國國家航空航天局（NASA）馬歇爾空間飛行中心計劃利用Made In Space公司在過去3年間定制的3D打印機，在國際空間站上開展首次太空增材制造技術演示。據了解，該3D打印機的開發獲得了NASA小企業創新研究（SBIR）計劃的支持。NASA零重力環境下3D打印技術演示項目經理NikiWerkheiser說：“這是非常酷的。航天發射的攜帶能力和供應鏈短缺是制約航天飛行距離和持續時間的最重要的因素，太空制造對于載人航天和星際探測十分必要。此前，人類從未在太空中現場制造出所需的物資。Made In Space公司將以國際空間站為測試平臺，測試未來航天探測任務中所需的3D打印技術。”

Made In Space公司的發言人Grant Lowery說：“我們認為，供應鏈是載人航天探測任務面臨的最大問題。隨著商業航天工業的崛起，在外太空制造物資的需求也不斷增長。而且，太空制造可節省時間，降低成本，減小太空探索后勤補給的難度。”

2011年，通過NASA的“飛行機會計劃”，Made In Space公司在Zero-G公司的改進型波音727的模擬微重力環境下，對數臺現有的3D打印機進行了測試，結果顯示，這些3D打印機均不適用于失重環境。

通過馬歇爾空間飛行中心1項SBIR計劃合同的資助，Made In Space公司的工程師開始研究建立不依靠重力的3D打印機模型。同時，其所研制的3D打印機還要足夠堅固，從而能夠耐受火箭發射時所產生的振動，而且其零部件也不能散發出任何污染國際空間站密閉環境的氣體。此外，由于太空中缺乏重力，材料的輸送需采用被動方式強制進行，因此，國際空間站上的機械加工還必須考慮到這些因素。而這正是NASA能提供專業支持的領域。在項目研發過程中，NASA專家為Made In Space公司提供了非常有價值的專業咨詢服務。

2013年初，Made In Space公司被授予1項SBIR計劃項目第二階段合同，目標是研發1種適用于國際空間站的3D打印機商業模型。此外，該公司還獲得了1項單獨的SBIR計劃項目第三階段合同，目標是研制出2014年在國際空間站上進行測試的3D打印機模型。該3D打印機的原型首先在Zero-G公司的飛機上進行了拋物線飛行失重測試，但由于測試時間太短，無法充分驗證在連續失重狀態下該3D打印機運行的有效性。為了解決這一問題，該小型3D打印機原型被發射到國際空間站上進行了測試。在國際空間站上，該3D打印機原型制造了包括校準臺和扳手等工具在內的30多件物品。這些物品的打印，大多數是采用發射前下載的設計文件制造的，也有一部分是根據在軌運行期間從地面上傳到國際空間站的設計文件制造的。

NASA已梳理出了國際空間站丟失或損壞的工具、配件和其它物品的列表，包括結構部件、扭力扳手、容器、夾子及其它工具，涵蓋復雜關鍵部件及普通部件。Niki Werkheiser說：“宇航員通常需要等待幾個月的時間才能通過地球上發射來的飛船上獲得所需的簡單零件，而現在采用3D打印機，僅需幾分鐘就能夠制造出所需的零部件。國際空間站上的宇航員對此感到非常興奮。”Grant Lowery說：“NASA的1項研究預計，該3D打印機能夠打印國際空間站上約30%的小零件和工具。”一些大的物品也可通過打印一些較小的零件組合而成。

該3D打印機原型能夠打印丙烯腈、丁二烯和苯乙烯等高分子材料。而改進型3D打印機的尺寸略大，可以打印的材料種類更多。Niki Werkheiser說：“最終，NASA希望能夠打印金屬零件。目前，研究人員還在研究將3D打印成品轉換為原材料的能力，以實現各種材料的完全回收利用。”

▲ Made In Space公司開發的太空3D打印機原型

根據國際空間站商業3D打印機使用協議，Made In Space公司擁有該3D打印機的所有權，NASA以用戶的身份支付使用費用。Niki Werkheiser說：“NASA希望商業企業來提供所需的產品。”就像NanoRacks公司，其在國際空間站上研制并擁有36個模塊化的實驗裝置，為NASA、大學、國外航天機構、私營企業等付費用戶提供服務。Made In Space公司也希望拓展太空3D打印制造產品的需求范圍。事實上，NanoRacks公司的首席技術官也擔任著Made In Space公司研發團隊顧問的職務，而且最終的3D打印機將與NanoRacks公司的設備共同部署在國際空間站的美國艙段中。

Grant Lowery說：“如果可以從地球上將詳細的設計文件上傳到國際空間站的3D打印機，用戶就可以通過電子郵件將設計上傳到太空中，制造出所需的硬件。Made In Space公司已經與多家企業、大學、政府機構，以及藝術家等進行了交流。他們對在太空中能輕松地制造產品，甚至將其從國際空間站發射到低地球軌道的功能非常感興趣。”在他看來，太空3D打印技術的主要應用是納米衛星的開發和部署。納米衛星是直徑約10.2cm的實驗裝置殼體，可攜帶任意數量的技術或實驗載荷。研究人員僅用幾個小時即可把衛星打印出來，在上面安裝1個電子板，然后將其置于國際空間站外，這樣，就完成了1個衛星實驗裝置的制造。

▲ Made In Space公司在Zero-G公司的模擬失重環境中測試3D打印機

NanoRacks公司已經擁有1套從國際空間站進行納米衛星部署的系統，成功實施了多次太空試驗，而這些小型實驗裝置均是通過火箭發射進入太空的。Made In Space公司的3D打印機可能會大大改變納米衛星太空試驗研究的現狀。雖然衛星所需的材料仍然需要利用火箭運輸到太空中，但有效載荷的尺寸限制將得到緩解。Niki Werkheiser指出，在太空中，納米衛星已經與3D打印技術相結合，并在國防、通訊、教育、科學研究，以及其它領域獲得了推廣應用，展現出了廣闊的市場前景。3D打印技術也可應用于地球上，軍方已對3D打印技術的微精密制造能力、產品的高性能和高安全性表現出了濃厚的興趣。例如，在深海、沙漠或偏遠地區，1臺耐用、可靠的3D打印機是特別有用的。

3D打印技術將使太空和地球上的偏遠地區更適宜居住。Made In Space公司與NASA的合作是NASA與商業界合作的又一典型案例。SBIR計劃的實施能夠充分激發小企業的潛在能力，有助于實現NASA的目標，也有利于企業自身的發展。 (唐 甜)