隨著3D打印技術快速發(fā)展，實現航天器零部件“自給自足”有望變?yōu)楝F實

從接到設計圖紙，到按下“打印”按鈕，一個扳手很快便制造完成了——你能想象這是航天員在零重力環(huán)境下完成的操作嗎？事實上，這是這已經實現了，南極熊獲悉，美國國家航空航天局與美國太空制造公司已簽署合同，聯合開發(fā)太空3D打印系統。在不久前結束的天津第二屆世界智能大會上，有研究人員表示，未來太空3D打印技術在航天智能制造領域的應用潛力巨大。

轟隆隆的“太空制造廠”
在人類探索太空過程中，設備和材料的“補給線問題”，一直阻礙著人們飛向更遠空間。隨著3D打印技術快速發(fā)展，實現航天器零部件的“自給自足”正在成為可能。

從2010年開始，美國國家航空航天局與美國太空制造公司合作，先后進行了數百次微重力環(huán)境下的試驗。為支持3D打印技術的發(fā)展，美國還于2012年8月專門成立了“國家增材制造創(chuàng)新聯盟”。2014年，世界上首臺太空3D打印機搭載“龍”飛船抵達國際空間站，先后打印出一系列太空專用零部件，揭開了人類“太空制造”的序幕。

其實，開一家“太空制造廠”并不復雜。理念與傳統打印相一致，3D打印就是以模型文件為基礎，運用粉末狀金屬和塑料等可黏合材料，通過逐層打印來構造物體的快速成型技術。傳統的3D打印技術包括分層加工、疊加成型、逐層加熱等工藝流程。

不過，太空3D打印也不是簡單的“搭積木”。每一臺發(fā)射升空的3D打印機，都有一顆聰慧澎湃的“芯”。航天員通過天地通信接收地面上傳的零部件數字化三維模型，經過3D打印機后期軟件處理后，才能自動生成具體控制數據和打印操作代碼。因此，只要天地之間不斷“網”，理論上任何工具都可以由地面設計好，然后交由3D打印機完成“太空制造”。

近年來，太空3D打印技術得到世界各國高度重視。2016年3月，美國國家航空航天局將升級版的3D打印機運往國際空間站，在太空環(huán)境中實現了更大體積和更高分辨率的打印作業(yè)；英國伯明翰大學研制出一臺能在零重力下運行的金屬3D打印機；德國某研究機構也于今年在零重力環(huán)境下“打印”出了金屬工具。

太空遨游的“得力助手”
上個世紀末，匯聚人類智慧的哈勃太空望遠鏡發(fā)射升空。由于鏡面制造出現微小誤差，哈勃望遠鏡直接淪為了“近視眼”。在當時的航天技術條件下，人們只能再進行一次航天發(fā)射，專門為哈勃望遠鏡安裝“近視眼鏡”。整個修復過程需要完成地面制造、空地運輸和空間裝配等操作，最終耗費4年時間和數億美元，才使這臺精密設備恢復正常。

如今，有了太空3D打印，哈勃望遠鏡遇到的“眼疾”就可以在太空就地進行“手術”。太空3D打印能將功能各異的零部件直接在外太空完成打印。眾所周知，空間航天器的大小主要受限于運載器，利用太空3D打印就能搭建太空零部件制造廠，實現“太空制造”。

3D打印技術在航空航天領域體現出極強的應用價值和發(fā)展?jié)摿Γ�不僅縮短了航天產品的生產周期，降低了成本，更進一步提高了產品性能。作為一種全新的生產方式，太空3D打印制造的產品可以勝任一些傳統制造工藝難以完成的工作。諸如某個部件一側需要耐受高溫、另一側需要具備較高強度等“苛刻要求”，3D打印都可以大顯身手。

時下人們講究“輕裝出行”，太空飛行更是如此。攜帶一臺3D打印機進入太空，就可以省去攜帶數以萬計零部件的巨大麻煩，只需攜帶幾公斤重的3D打印“墨盒”就足夠了。

此外，太空3D打印技術更可大幅度降低太空飛行對地面的依賴程度。相比于半年一次的太空補給，3D打印只需數小時就能生產出需要更換的零部件，將大幅度提升空間站操控的靈活性和維修效率，降低空間站對地面系統的依賴。

目前，人們已經開始設計太空制造系統，將在太空中直接打印出天線、電池板等零部件和工作生活的必需品。美國國家航空航天局噴氣推進實驗室正在研制標準的太空3D打印工序，旨在通過新技術兼容不同金屬原料，制造出更能適應太空應用環(huán)境的零部件。未來，太空3D打印機將具備小規(guī)模生產各種工具、零部件和日常用品的能力，是載人空間飛行和宇宙考察的標配裝備。

將太空垃圾“變廢為寶”
為幫助正在太空遨游的航天員正常飲水，人們還曾利用水的表面張力設計了一款零重力水杯，巧妙地解決了太空失重條件下水到處漂浮的問題。然而，這樣別出心裁的產品經由地面制造，再搭乘“空天快遞”升空無疑成本巨大。

太空3D打印的出現，將在人類太空之旅中發(fā)揮重要作用。

美國國家航空航天局曾設想在太空中直接打印出整枚衛(wèi)星，由“太空制造廠”生產組裝后投放到運行軌道。太空3D打印技術還能為人類登上其他行星制造所需的住所和工具，歐洲航天局正著手探索利用3D打印技術建造月球基地，美國國家航空航天局曾專門開展3D打印火星棲息地競賽活動。

太空3D打印更加神奇之處，是能像魔術師一般“化腐朽為神奇”。一旦太空中制造的產品出現損壞，只需將其融化成原材料就可再次重復利用。美國太空制造公司正在開展可重復使用的太空3D打印材料研究。美國國防部高級研究計劃局開展的“鳳凰”研究項目，旨在通過拆解老舊衛(wèi)星來清理空間垃圾，并用老舊衛(wèi)星的零部件重新組裝成一個全新的空間設備。未來，太空3D打印還可利用地球軌道上的報廢衛(wèi)星，或直接到行星上就地取材進行“太空制造”。

太空3D打印不僅能打印各類元器件，還可以打印美食。利用太空3D打印機能將各類可食用原材料打印成豐富多樣的營養(yǎng)套餐，航天員也可以在太空體驗當“廚師”的感覺。

當然，3D打印真正走向太空，還必須解決一系列技術難題，其中最大的障礙是“失重”。在太空環(huán)境下，材料和膠水會“飛起來”，這就需要在打印機結構上進行專門設計。此外，如何解決太空打印產生的廢氣擴散等問題，尚待進一步研究完善。

來源：解放軍報