太空也能“3D打印”

張配豪

在電影里，每當(dāng)宇航員被孤身遺留在其他星球，就只能接受漫長(zhǎng)的等待，等待下一次執(zhí)行任務(wù)的飛船來(lái)接他回家。實(shí)際生活中，當(dāng)空間站出現(xiàn)故障需要維修時(shí)，維修人員也要像電影里的宇航員一樣接受很長(zhǎng)時(shí)間的等待，直到飛船從地面帶來(lái)零部件進(jìn)行更換，而且每一克太空貨物的“郵費(fèi)”都價(jià)格不菲。

人類(lèi)志在深入探索太空，要在太空中生存，遲早需要有能力擺脫地球，在太空中生產(chǎn)所需部件。也許你會(huì)大膽設(shè)想，如果有一臺(tái)3D打印機(jī)，能在太空打印所需零部件，既省時(shí)又節(jié)約費(fèi)用，豈不是一舉兩得？

如今，夢(mèng)想再次照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院4月18日對(duì)外宣布，由該院和中科院空間應(yīng)用工程技術(shù)中心共同研制的國(guó)內(nèi)首臺(tái)空間3D打印機(jī)，已經(jīng)在法國(guó)波爾多成功完成拋物線(xiàn)失重飛行試驗(yàn)，能夠在微重環(huán)境下完成3D打印。而且，中科院重慶研究院介紹，該技術(shù)有望在2020年運(yùn)用于我國(guó)空間站。

“助力我國(guó)太空站建設(shè)”

目前，空間站宇航員對(duì)地面的補(bǔ)給依賴(lài)較為嚴(yán)重，人類(lèi)送往太空中的任何一件物品都要先在地球上制造完成，再發(fā)射到太空中去，尤其是一些精密儀器設(shè)備，這個(gè)方法成本極高。如果宇航員能夠在失重環(huán)境下自制所需的實(shí)驗(yàn)和維修工具及零部件，將大幅提高空間站實(shí)驗(yàn)和維修的靈活性，減少空間站備品備件的種類(lèi)、數(shù)量及運(yùn)營(yíng)成本。據(jù)了解，空間站等待一次地球補(bǔ)給至少需要半年，而3D打印只需要1～2天就能生產(chǎn)出需要更換的零部件。

“就是基于空間站的一些零件維護(hù)的需求，如何讓零件維修的成本降低，同時(shí)提高效率。通過(guò)調(diào)研，我們決定研發(fā)空間3D打印機(jī)。”中科院重慶研究院3D打印技術(shù)研究中心主任段宣明說(shuō)，因?yàn)樵擁?xiàng)目具有一定的前瞻性，最終他們團(tuán)隊(duì)決定自籌經(jīng)費(fèi)，于2014年初正式啟動(dòng)了該項(xiàng)目。

“與普通的3D打印機(jī)最大的區(qū)別是，這臺(tái)機(jī)器要在超重、失重以及正常重力狀況下都可以正常工作。”因?yàn)榭臻g是一個(gè)零重力或者微重力的狀態(tài)，所以用什么樣的技術(shù)來(lái)解決這一難題？是擺在段宣明團(tuán)隊(duì)面前的首要任務(wù)。

為了實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的突破，他們總共花了兩年時(shí)間進(jìn)行研發(fā)，后來(lái)經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)和糾錯(cuò)，終于得到初步成果。為了驗(yàn)證技術(shù)的可能性，今年3月，他們帶著這臺(tái)國(guó)內(nèi)首臺(tái)空間3D打印機(jī)來(lái)到法國(guó)波爾多進(jìn)行拋物線(xiàn)失重飛行試驗(yàn)。

段宣明介紹，在為期3天的飛行試驗(yàn)中，打印機(jī)總共進(jìn)行了93次打印試驗(yàn)，從而成功獲取了微重力環(huán)境下對(duì)3D打印工藝參數(shù)影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)證明，這臺(tái)打印機(jī)可以在失重、超重以及正常重力的情況下完成打印，目前能打印的材料包括工程塑料、復(fù)合材料。

在法國(guó)波爾多的飛行試驗(yàn)中，這臺(tái)打印機(jī)完成了4種模型的微重力打印。其中，打印了一塊“中國(guó)科學(xué)院”字樣的牌子，還打印了多個(gè)小巧的長(zhǎng)方體。與普通3D打印機(jī)相比，這臺(tái)機(jī)器看起來(lái)更小巧，與微波爐的大小相差無(wú)幾，由塑料制成。雖然小巧，這臺(tái)機(jī)器打印出來(lái)的扳手、螺絲等塑料零件卻極為精致。

“乘坐火箭升空的過(guò)程會(huì)有強(qiáng)烈的顛簸，并且太空中不確定的因素也有很多。但試驗(yàn)證明，各種復(fù)雜的環(huán)境狀態(tài)都不會(huì)影響這臺(tái)3D打印機(jī)正常工作。”段宣明自豪地說(shuō)，“無(wú)論把機(jī)器橫置還是斜放，它都可以正常打印。”

目前這臺(tái)打印機(jī)是他們研究改進(jìn)的第三版，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)、電機(jī)、傳動(dòng)設(shè)備的不斷研發(fā)并經(jīng)過(guò)失重飛行試驗(yàn)，證明該打印機(jī)在地球上斜著、倒著，在微重、無(wú)重力條件下都能打印，且打印效果與國(guó)外水平相當(dāng)，他們希望此項(xiàng)成果能應(yīng)用于我國(guó)空間站。

“打印尺寸超過(guò)NASA 3D打印機(jī)”

其實(shí)歐美國(guó)家也在研究太空3D技術(shù)，目前全世界僅有3臺(tái)空間在軌3D打印機(jī)送上國(guó)際空間站，其中兩臺(tái)是NASA支持的一家公司研發(fā)，另一臺(tái)是歐洲研發(fā)。

NASA將在軌增材制造技術(shù)視為支持深空探測(cè)任務(wù)的戰(zhàn)略性關(guān)鍵技術(shù)，為此部署了多項(xiàng)技術(shù)的研究，其中Made in space公司研制的FMD塑料3D打印機(jī)目前正在國(guó)際空間站試用。

中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心研究員王功表示，雖然中國(guó)太空增材制造技術(shù)研究的起步晚于美國(guó)，但研究更為積極活躍，在理念和技術(shù)上并不落后，此次試驗(yàn)共對(duì)五種材料和兩種制造工藝進(jìn)行了微重力環(huán)境下的驗(yàn)證與探索，其中包含了NASA從未嘗試過(guò)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，獲取了不同材料與工藝在微重力環(huán)境下的特性數(shù)據(jù)。

“經(jīng)過(guò)研究，我們發(fā)現(xiàn)雖然咱們國(guó)家在這個(gè)領(lǐng)域起步晚，但是要想實(shí)現(xiàn)跨越式的突破或者彎道超車(chē)也不是沒(méi)有可能。”段宣明說(shuō)，“我們這臺(tái)3D打印機(jī)能夠打印最大零部件尺寸達(dá)200mm×130mm，該尺寸是美國(guó)國(guó)家航空航天局NASA首臺(tái)空間在軌打印機(jī)打印尺寸的2倍以上，并超過(guò)今年3月26日NASA運(yùn)至國(guó)際空間站的升級(jí)版3D打印機(jī)打印尺寸。”

在段宣明看來(lái)，將來(lái)我們國(guó)家要建成空間站肯定是需要空間3D打印機(jī)的。“未來(lái)可能會(huì)需要金屬的，因?yàn)樵诳臻g站需要的材料僅僅是塑料的肯定是不夠的，塑料的更多的是在空間站的艙內(nèi)使用，未來(lái)的3D打印機(jī)可能會(huì)發(fā)展到艙外去，這樣一來(lái)，技術(shù)難度要更大一些，這也是我們研發(fā)的一個(gè)方向。另外，中科院也正在同步研究3D打印材料的循環(huán)利用技術(shù)，未來(lái)可以將空間站內(nèi)的部分廢棄物，如航天員的飲水袋等，制備成太空3D打印的原材料。”

實(shí)際上，過(guò)去幾年我國(guó)在3D打印技術(shù)上一直鮮有突破，這讓許多發(fā)達(dá)國(guó)家趁虛而入，竭力打通我國(guó)3D打印的行業(yè)市場(chǎng)，并進(jìn)行技術(shù)壟斷。但隨著我國(guó)整體科技研發(fā)水平的提升，這種局面正被逐漸打破。“我們期待自己研發(fā)的空間在軌3D打印機(jī)能夠?yàn)槲覈?guó)2020年完成空間站建造及其后期運(yùn)營(yíng)奠定基礎(chǔ)。”段宣明說(shuō)。