人類一直夢(mèng)想征服太空，每一次技術(shù)進(jìn)步都讓我們更接近這個(gè)目標(biāo)。在這些創(chuàng)新中，3D打印近年來(lái)已成為航天工業(yè)的一項(xiàng)重要資產(chǎn)。但與人們所認(rèn)為的相反，它在該領(lǐng)域的應(yīng)用并不新鮮。

2014年，3D打印機(jī)首次被送入太空，標(biāo)志著該技術(shù)在極端環(huán)境下應(yīng)用的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。自那時(shí)起，它的應(yīng)用不斷發(fā)展。它的作用遠(yuǎn)不止于小修小補(bǔ)和簡(jiǎn)單的失重實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在它已被融入到火箭設(shè)計(jì)中，并為新的可能性，特別是現(xiàn)場(chǎng)制造開(kāi)辟了道路。但是，為什么要在航天領(lǐng)域使用3D打印呢？我們給你8個(gè)理由！

Neutron是由Rocket Lab公司開(kāi)發(fā)的一種可部分重復(fù)使用的太空運(yùn)載火箭。（圖片來(lái)源：Rocket Lab）

進(jìn)入太空

1：火箭部件優(yōu)化

對(duì)于太空探索來(lái)說(shuō)，每一克都至關(guān)重要。火箭或衛(wèi)星越輕，發(fā)射成本就越低，效率也越高。通過(guò)減輕機(jī)器重量，我們可以減少所需的燃料量并釋放空間來(lái)攜帶更多有用的設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，3D打印提供了一個(gè)有趣的解決方案：它允許設(shè)計(jì)定制部件，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，使其既堅(jiān)固又輕便。由于采用了不同的設(shè)計(jì)技術(shù)（英文為DfAM），特別是使用拓?fù)鋬?yōu)化，我們可以創(chuàng)造出傳統(tǒng)方法無(wú)法獲得的復(fù)雜形狀，同時(shí)保持出色的抵抗力。一個(gè)具體的例子是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻通道。這些小管道用于排出燃燒室周?chē)膹?qiáng)烈熱量。通過(guò)3D打印，它們可以直接集成到零件中，而使用傳統(tǒng)的機(jī)械加工或注塑成型則非常困難，甚至不可能，因?yàn)楹笳咄ǔ＿^(guò)于昂貴且限制過(guò)多。

2：使用新材料提高性能

在航天領(lǐng)域，材料必須承受極端條件：高溫、輻射、壓力變化、熱沖擊等。3D打印現(xiàn)在可以使用各種專門(mén)適應(yīng)這些限制的先進(jìn)材料。我們發(fā)現(xiàn)鈦、鋁或因科鎳合金等金屬合金以其輕質(zhì)和耐熱性而聞名。另一方面，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在強(qiáng)度、柔韌性和減輕重量之間實(shí)現(xiàn)了極好的平衡。但這些材料只有與合適的印刷工藝相結(jié)合才能發(fā)揮其全部潛力。DED、LPBF、DMLS和擠壓等技術(shù)使它們能夠轉(zhuǎn)化為復(fù)雜、精確和優(yōu)化的零件。這些方法直接影響印刷材料的微觀結(jié)構(gòu)，從而可以創(chuàng)建具有特定機(jī)械性能的定制部件。3D打印還可以用于技術(shù)陶瓷。例如，氧化鋯具有優(yōu)異的耐熱、耐磨損和耐腐蝕性能。這種材料甚至在極高的溫度下也能導(dǎo)電。其他陶瓷對(duì)于在太空極端條件下工作的部件也具有有趣的特性。

3：簡(jiǎn)化組裝并降低成本

通過(guò)使用3D打印，制造商可以更經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)重要部件，例如發(fā)動(dòng)機(jī)部件。與傳統(tǒng)方法不同，3D打印大大簡(jiǎn)化了制造過(guò)程。它還促進(jìn)了設(shè)計(jì)最終產(chǎn)品所需的原型設(shè)計(jì)和迭代。另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是減少了制造航天器的零部件數(shù)量。借助3D打印，有時(shí)可以避免組裝數(shù)千個(gè)零件。例如，SAB Aerospace最近用3D打印技術(shù)打印了一個(gè)單件火箭噴嘴，而傳統(tǒng)上需要組裝數(shù)千個(gè)組件。就Relavity Space而言，它通過(guò)減少1,000個(gè)零部件的數(shù)量，大大簡(jiǎn)化了其Terran火箭的構(gòu)造。

SAB Aerospace的3D打印火箭噴嘴。（圖片來(lái)源：SAB Aerospace）

改善宇航員的日常生活

4：在微重力條件下制造備件

3D打印使得直接在太空中制造物體成為可能。這一進(jìn)步大大減少了對(duì)地球探險(xiǎn)的依賴，因?yàn)榈厍蛱诫U(xiǎn)通常漫長(zhǎng)而昂貴。船員們現(xiàn)在可以在船上設(shè)計(jì)和生產(chǎn)他們所需的部件，而不必等待數(shù)周甚至數(shù)月才能得到替換部件。這種技術(shù)自主性非常有價(jià)值，特別是在發(fā)生不可預(yù)見(jiàn)的事件時(shí)：如果工具損壞或丟失，只需在現(xiàn)場(chǎng)打印一個(gè)新的即可。通過(guò)限制中斷，這顯著提高了任務(wù)的安全性和效率。目前正在進(jìn)行多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，探索3D打印在太空中的潛力。2024年，第一個(gè)金屬部件直接在國(guó)際空間站上制造完成，標(biāo)志著我們達(dá)到了一個(gè)重要的里程碑。這種測(cè)試表明，盡管該技術(shù)仍處于測(cè)試階段，但它可以在太空條件下發(fā)揮作用。

5.食品打印

在太空任務(wù)中，電力供應(yīng)是一個(gè)真正的挑戰(zhàn)，尤其是當(dāng)任務(wù)持續(xù)數(shù)月甚至數(shù)年時(shí)。宇航員必須攜帶大量補(bǔ)給，這會(huì)占用大量空間和重量。3D食品打印使得直接在飛機(jī)上準(zhǔn)備飯菜成為可能，只需使用糊狀或粉末狀的基本原料即可。因此，可以根據(jù)每位機(jī)組人員的特定營(yíng)養(yǎng)需求，為他們制作個(gè)性化膳食。這項(xiàng)技術(shù)還減少了浪費(fèi)并優(yōu)化了資源的利用。測(cè)試已經(jīng)證明可以在零重力環(huán)境下（例如在國(guó)際空間站(ISS)上）使用3D打印技術(shù)制造肉類。與此同時(shí)，科學(xué)家們也在繼續(xù)探索這項(xiàng)技術(shù)是否真的能夠成為宇航員在長(zhǎng)期任務(wù)期間提供食物的可靠解決方案。

6.打印醫(yī)療設(shè)備和生物打印

在長(zhǎng)期的太空任務(wù)中，并不總是能夠攜帶所有必要的醫(yī)療設(shè)備。借助3D打印，宇航員可以在現(xiàn)場(chǎng)制造有用的物體來(lái)治療傷害或某些健康問(wèn)題。例如，他們可以打印適合各種情況的夾板甚至手術(shù)器械。這使我們能夠在需要時(shí)迅速做出反應(yīng)，而無(wú)需等待地球的運(yùn)送。此外，涉及打印活組織的生物打印技術(shù)在太空領(lǐng)域也取得了進(jìn)展。Redwire公司已成功在微重力環(huán)境下3D打印出半月板，證明該技術(shù)有朝一日可以在太空中直接幫助修復(fù)組織。

7：宇航服打印

在地球上制造宇航服對(duì)于未來(lái)的任務(wù)來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)重要資產(chǎn)。一旦到達(dá)月球或火星，僅僅在那里是不夠的：你還必須能夠在那里安全地移動(dòng)。2023年，Axiom Space展示了為Artemis計(jì)劃中的宇航員設(shè)計(jì)的新型宇航服原型。該模型是使用CAD軟件、3D打印和傳統(tǒng)縫紉技術(shù)開(kāi)發(fā)的。這種方法可以使宇航服適應(yīng)當(dāng)?shù)厍闆r，必要時(shí)可以快速修復(fù)，并更好地滿足每個(gè)任務(wù)的具體要求。

阿爾忒彌斯計(jì)劃宇航員的宇航服（圖片來(lái)源：Axiom Space）

加速太空生活

8：空間結(jié)構(gòu)和未來(lái)?xiàng)⒌氐慕ㄔO(shè)

為了在月球或火星上可持續(xù)地生活，僅僅建造簡(jiǎn)單的庇護(hù)所是不夠的。利用3D打印，現(xiàn)在可以在現(xiàn)場(chǎng)建造各種各樣的建筑物，例如住宅、太陽(yáng)能發(fā)電廠和其他必要的基礎(chǔ)設(shè)施。這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是它允許使用當(dāng)?shù)夭牧?，例如風(fēng)化層。這使得可以在現(xiàn)場(chǎng)建造可行的結(jié)構(gòu)。此外，3D打印還可以設(shè)計(jì)定制結(jié)構(gòu)來(lái)應(yīng)對(duì)太空的特定挑戰(zhàn)，例如輻射、極端溫度或低重力。

圖片來(lái)源：ESA

編譯整理：3dnatives