定制3D打印機(jī)革新航天供應(yīng)鏈

>在進(jìn)入廣袤的太空之前，航天飛行機(jī)組人員必須準(zhǔn)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(fā)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(xiàn)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(jì)劃利用Made In Space公司在過去3年間定制的3D打印機(jī)，在國際空間站上開展首次太空增材制造技術(shù)演示。據(jù)了解，該3D打印機(jī)的開發(fā)獲得了NASA小企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）計(jì)劃的支持。NASA零重力環(huán)境下3D打印技術(shù)演示項(xiàng)目經(jīng)理NikiWerkheiser說：“這是非?？岬?。航天發(fā)射的攜帶能力和供應(yīng)鏈短缺是制約航天飛行距離和持續(xù)時(shí)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(xiàn)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(wù)中所需的3D打印技術(shù)?！?/p>

Made In Space公司的發(fā)言人Grant Lowery說：“我們認(rèn)為，供應(yīng)鏈?zhǔn)禽d人航天探測任務(wù)面臨的最大問題。隨著商業(yè)航天工業(yè)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(jié)省時(shí)間，降低成本，減小太空探索后勤補(bǔ)給的難度?！?/p>

2011年，通過NASA的“飛行機(jī)會計(jì)劃”，Made In Space公司在Zero-G公司的改進(jìn)型波音727的模擬微重力環(huán)境下，對數(shù)臺現(xiàn)有的3D打印機(jī)進(jìn)行了測試，結(jié)果顯示，這些3D打印機(jī)均不適用于失重環(huán)境。

通過馬歇爾空間飛行中心1項(xiàng)SBIR計(jì)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(jī)模型。同時(shí)，其所研制的3D打印機(jī)還要足夠堅(jiān)固，從而能夠耐受火箭發(fā)射時(shí)所產(chǎn)生的振動，而且其零部件也不能散發(fā)出任何污染國際空間站密閉環(huán)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(qiáng)制進(jìn)行，因此，國際空間站上的機(jī)械加工還必須考慮到這些因素。而這正是NASA能提供專業(yè)支持的領(lǐng)域。在項(xiàng)目研發(fā)過程中，NASA專家為Made In Space公司提供了非常有價(jià)值的專業(yè)咨詢服務(wù)。

2013年初，Made In Space公司被授予1項(xiàng)SBIR計(jì)劃項(xiàng)目第二階段合同，目標(biāo)是研發(fā)1種適用于國際空間站的3D打印機(jī)商業(yè)模型。此外，該公司還獲得了1項(xiàng)單獨(dú)的SBIR計(jì)劃項(xiàng)目第三階段合同，目標(biāo)是研制出2014年在國際空間站上進(jìn)行測試的3D打印機(jī)模型。該3D打印機(jī)的原型首先在Zero-G公司的飛機(jī)上進(jìn)行了拋物線飛行失重測試，但由于測試時(shí)間太短，無法充分驗(yàn)證在連續(xù)失重狀態(tài)下該3D打印機(jī)運(yùn)行的有效性。為了解決這一問題，該小型3D打印機(jī)原型被發(fā)射到國際空間站上進(jìn)行了測試。在國際空間站上，該3D打印機(jī)原型制造了包括校準(zhǔn)臺和扳手等工具在內(nèi)的30多件物品。這些物品的打印，大多數(shù)是采用發(fā)射前下載的設(shè)計(jì)文件制造的，也有一部分是根據(jù)在軌運(yùn)行期間從地面上傳到國際空間站的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)部件、扭力扳手、容器、夾子及其它工具，涵蓋復(fù)雜關(guān)鍵部件及普通部件。Niki Werkheiser說：“宇航員通常需要等待幾個(gè)月的時(shí)間才能通過地球上發(fā)射來的飛船上獲得所需的簡單零件，而現(xiàn)在采用3D打印機(jī)，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?！盙rant Lowery說：“NASA的1項(xiàng)研究預(yù)計(jì)，該3D打印機(jī)能夠打印國際空間站上約30%的小零件和工具?！币恍┐蟮奈锲芬部赏ㄟ^打印一些較小的零件組合而成。

Made In Space公司開發(fā)的太空3D打印機(jī)原型

該3D打印機(jī)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(jìn)型3D打印機(jī)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(zhuǎn)換為原材料的能力，以實(shí)現(xiàn)各種材料的完全回收利用?！?/p>

根據(jù)國際空間站商業(yè)3D打印機(jī)使用協(xié)議，Made In Space公司擁有該3D打印機(jī)的所有權(quán)，NASA以用戶的身份支付使用費(fèi)用。Niki Werkheiser說：“NASA希望商業(yè)企業(yè)來提供所需的產(chǎn)品?！本拖馧anoRacks公司，其在國際空間站上研制并擁有36個(gè)模塊化的實(shí)驗(yàn)裝置，為NASA、大學(xué)、國外航天機(jī)構(gòu)、私營企業(yè)等付費(fèi)用戶提供服務(wù)。Made In Space公司也希望拓展太空3D打印制造產(chǎn)品的需求范圍。事實(shí)上，NanoRacks公司的首席技術(shù)官也擔(dān)任著Made In Space公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)顧問的職務(wù)，而且最終的3D打印機(jī)將與NanoRacks公司的設(shè)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(xì)的設(shè)計(jì)文件上傳到國際空間站的3D打印機(jī)，用戶就可以通過電子郵件將設(shè)計(jì)上傳到太空中，制造出所需的硬件。Made In Space公司已經(jīng)與多家企業(yè)、大學(xué)、政府機(jī)構(gòu)，以及藝術(shù)家等進(jìn)行了交流。他們對在太空中能輕松地制造產(chǎn)品，甚至將其從國際空間站發(fā)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(shù)的主要應(yīng)用是納米衛(wèi)星的開發(fā)和部署。納米衛(wèi)星是直徑約10.2cm的實(shí)驗(yàn)裝置殼體，可攜帶任意數(shù)量的技術(shù)或?qū)嶒?yàn)載荷。研究人員僅用幾個(gè)小時(shí)即可把衛(wèi)星打印出來，在上面安裝1個(gè)電子板，然后將其置于國際空間站外，這樣，就完成了1個(gè)衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)裝置的制造。

Made In Space公司在Zero-G公司的模擬失重環(huán)境中測試3D打印機(jī)

NanoRacks公司已經(jīng)擁有1套從國際空間站進(jìn)行納米衛(wèi)星部署的系統(tǒng)，成功實(shí)施了多次太空試驗(yàn)，而這些小型實(shí)驗(yàn)裝置均是通過火箭發(fā)射進(jìn)入太空的。Made In Space公司的3D打印機(jī)可能會大大改變納米衛(wèi)星太空試驗(yàn)研究的現(xiàn)狀。雖然衛(wèi)星所需的材料仍然需要利用火箭運(yùn)輸?shù)教罩?，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(wèi)星已經(jīng)與3D打印技術(shù)相結(jié)合，并在國防、通訊、教育、科學(xué)研究，以及其它領(lǐng)域獲得了推廣應(yīng)用，展現(xiàn)出了廣闊的市場前景。3D打印技術(shù)也可應(yīng)用于地球上，軍方已對3D打印技術(shù)的微精密制造能力、產(chǎn)品的高性能和高安全性表現(xiàn)出了濃厚的興趣。例如，在深海、沙漠或偏遠(yuǎn)地區(qū)，1臺耐用、可靠的3D打印機(jī)是特別有用的。

3D打印技術(shù)將使太空和地球上的偏遠(yuǎn)地區(qū)更適宜居住。Made In Space公司與NASA的合作是NASA與商業(yè)界合作的又一典型案例。SBIR計(jì)劃的實(shí)施能夠充分激發(fā)小企業(yè)的潛在能力，有助于實(shí)現(xiàn)NASA的目標(biāo)，也有利于企業(yè)自身的發(fā)展。(唐甜)

Custom 3D Printers Revolutionize Space Supply Chain