3D打印機攻入太空

□ 談 纓

編者按：在過去的一年中，全球科技技術領域大舉挺進，其中不乏里程碑式的突破。美國《麻省理工學院技術評論》雜志從中挑選出2014年十大突破科學技術，涉及生活、生產、醫療等行業。而這些進步是否將會成為各行業的強大推動力量？又或是成為業內強有力的儲備力和競爭力？本刊將目光聚焦剛剛攻陷最 后一塊領地的3D太空打印機。

2014年9月21日，美國航宇局（NASA） 的首臺針對零重力環境 設計的3D打印機搭載太空探 索技術公司“龍”貨運飛船發射升空，隨后 順利到達國際空間站，并對接成功。

首臺太空3D打印機的誕生

這臺3D打印機的生產商是太空制造公司（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行3D零重力打印實驗，旨在開發地球之外生產制造能力。

這臺上太空的3D打印機經受了嚴格微重力環境下的試驗。早在2011年，太空制造公司就在零重力環境下對多項3D打印技術進行了測試。到上天前，該公司對太空3D打印機進行了400多次微重力拋物線試驗。

因為3D打印機的工作方式是通過噴射塑料層從而疊加成一個完整的物件，而在基本沒有重力的情況下，不會 有向下的引力讓材料下沉后互相結合。在飛行試驗中，零重力飛機會以拋物線軌跡來模擬出接近零重力的環境。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別在于濃度。經過一系列改進之后，打印機在微重力環境下噴射出的塑料濃 度已經能達到和地球環境同樣水平。

發熱則是另外一個可能遇到的問題，因為熱量在微重力環境下傳播也不同于平常，可能導致熱敏材料溫度過高或過低，這樣都會讓3D打印機無法正常工作。

3D打印機在被發射上天之前，在美國航宇局經受了20000小時的打印測試，直到發射不久前才完成。打印機在測試中的表現良好，被提前交付。

首發太空的這臺3D打印機，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手套箱（MSG）里。設備被安裝在軌道實驗室后，要通過一系列的測試，通 過測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 具備了在零重力環境下打印出準確、堅固物體的能力,是否在 太空切實可行。

諱莫如深的太空3D打印

這款3D打印機是針對零重力環境設計的，是為了測試航天員在微重力下自主制造零部件和工具的可行性。設計這臺機器的太空制造公司一直未透露準備打印什么，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用功能的?！?/p>

室溫下，分別用超純水配制50 mL質量濃度為200 ng·L-1的HHCB和AHTN溶液，用H2SO4和NaOH將反應體系的pH值分別調節為1、2、3、4、5、6、7、8、9，H2O2的投入量為 800 μmol·L-1，Fe2+的用量為 400 μmol·L-1，反應時間為 60 min。不同反應體系初始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打印項目主管尼基·韋克海澤談到，“在太空軌道，當你需要什么時，3D打印機就能做出來，它真正是游戲規則的改變者。這第一臺3D打印機發送至國際空間站是為了技術演示，因為國際空間站是太空微重力環境下，目前我們在太空上進行完整測試的唯一實驗 室和能打印整個零部件的唯一平臺”。

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

首臺太空3D打印機將用于制造測試樣本，之后用于制造一 系列的零部件，例如各種工具和科學儀器。 最初目標很簡單，通過打印技術演示了解在微重力環境下3D打印機是如何工作，了解在 成為最終產品的過程中材料是如何變化的。

太空制造公司網站上寫著：伴隨地球之外制造時代開啟，首個打印出的零部件或產品不管是什么，會有一天，它將被認為具有歷史性意義。

首個太空3D打印件誕生

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

3D打印機壓制材質選用熔點較低的塑膠，為了避免功能異常帶來的人員傷害，全程在手套箱中試驗。美國航宇局在 2014 年 11 月 19 日表示 3D打印機在微重力狀態下能正常運作。11月24日美國航宇局在國際空間站運用3D打印技術成功打印出了首個部件，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個小時。至此，首個太空3D打印件誕生了。

負責人尼基·韋克海澤表示：“這第一份作品是在地球以外實現3D打印批量化的重要一步”。

3D打印項目第一階段的主要目標是在軌鑒定3D打印技術，保證其能像在地面上一樣正常工作。空間站上打印出的試制品將和同類樣品進行比較。在太空3D打印機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，供專家進行測試研究。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打印機已利用從地面上傳的設計文件打印出一只扳手，結束了其第一階段在軌試運行工作。這只扳手也將在2015年初一同送回地面，并與該打印機發射前在地面上制作的物品進行比較。NASA試驗采用地面上傳設計是為了證實能實現按需打印，而這對于飛往火星的長期旅行至關重要。扳手設計和安全性審核等工作只用了不到一周時間，站上打印工作用了不到4個小時。第二階段試運行工作應會在2015年初啟動。項目的第二階段將把重點放在站上打印件的實際使用上。

這次打印讓NASA知道了在微重力環境下，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

美國航宇局測試太空3D打印的目的是將從地球向太空運送零部件和工具的次數降至最低，加快空間站的自給自足。美國航宇局對3D打印抱有很高的期望，認為這項技術可降低航天飛行成本，并為更大膽的載人探測任務創造條 件。太空探索技術公司也認為這項技術具有光明的前景。

零重力3D打印機被設計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，重置下一個打印機項目。

尼基·韋克海澤表示，“我們設計在微重 力環境下打印的零部件時，不需再考慮發射載荷的問題”。

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，太空探索技術公司也能在加利福尼亞的辦公室用便攜電腦發出指令。此外，從阿拉巴馬亨茨維爾航天地面控制中心也可直接發送指令或郵件到打印機，把打印物體的設計藍圖傳給航天員，讓他們直接打印出即可，而不用像現在這樣，每次都要發射火箭把所需的設備（如培養皿）送給航天員。當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

太空探索技術公司CEO艾倫·馬斯克說，“3D打印實驗是美國航宇局未來重點發展方向之一，3D打印零配件和工具增 強了太空任務的可靠性和安全性，同時能夠有效降低制造成本。

尼基·韋克海澤說，“3D打印是一項令人興奮的技術，它將使我們的太空生活和工作具有地球相同的效率和生 產能力，我們最終目標是消除對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，“美國航宇局將繼續探索太空，無論是對小行星進行定位或將人類送至火星，我們需要革命性的技術，以減少運載貨物的航天器的質量和體積”，“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”。

太空探索技術公司和美國航宇局團隊設想，未來3D打印可實現在太空制造整個航天器，空間任務所需物資幾乎能自給自足，且能夠在太空中制造多數他們所需的零件等。

除了用于在軌航天器的設計制造外，3D打印設備還可與機器人系統一起工作，為人類登上火星，以及在其他行星上執行任務制造所需的住所和工具。住所和實驗室也可由機器人通過打印建造構件來制造，這些建造構件可利用行星上的資源，如土壤或礦物來實現。長期執行空間任務 的航天員也可打印和回收他們所需的工具，可節省大量的資源。

設想，未來的太空旅行中，許多物品無需在飛船發射時就準備好，可以等需要的時候打印出來。此外，在地球重力環境下制造的物品未必適用于太空零重力環境，而太空打印可以解決這個問題。

目前，太空探索技術公司與美國航宇局馬歇爾太空飛行中心建立合作關系，共同完成3D打印零重力實驗(簡稱3D打印實驗)，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。該團隊甚至還有另外一個創意，他們想把3D打印機器人發送到火星或月球，然后利用上面的土壤材料開發未來建筑。