定制3D打印机革新航天供应链

定制3D打印机革新航天供应链

Custom 3D Printers Revolutionize Space Supply Chain

在进入广袤的太空之前，航天飞行机组人员必须准备好并携带其生活及工作所需的所有物品。太空飞行不仅对有效载荷的容量有较高的要求，也向所有物品在航天发射过程中对超重和振动的耐受能力提出了较高的要求。而现在，这一切即将改变。

2015年1月，美国国家航空航天局（NASA）马歇尔空间飞行中心计划利用Made In Space公司在过去3年间定制的3D打印机，在国际空间站上开展首次太空增材制造技术演示。据了解，该3D打印机的开发获得了NASA小企业创新研究（SBIR）计划的支持。NASA零重力环境下3D打印技术演示项目经理NikiWerkheiser说：“这是非常酷的。航天发射的携带能力和供应链短缺是制约航天飞行距离和持续时间的最重要的因素，太空制造对于载人航天和星际探测十分必要。此前，人类从未在太空中现场制造出所需的物资。Made In Space公司将以国际空间站为测试平台，测试未来航天探测任务中所需的3D打印技术。”

Made In Space公司的发言人Grant Lowery说：“我们认为，供应链是载人航天探测任务面临的最大问题。随着商业航天工业的崛起，在外太空制造物资的需求也不断增长。而且，太空制造可节省时间，降低成本，减小太空探索后勤补给的难度。”

2011年，通过NASA的“飞行机会计划”，Made In Space公司在Zero-G公司的改进型波音727的模拟微重力环境下，对数台现有的3D打印机进行了测试，结果显示，这些3D打印机均不适用于失重环境。

通过马歇尔空间飞行中心1项SBIR计划合同的资助，Made In Space公司的工程师开始研究建立不依靠重力的3D打印机模型。同时，其所研制的3D打印机还要足够坚固，从而能够耐受火箭发射时所产生的振动，而且其零部件也不能散发出任何污染国际空间站密闭环境的气体。此外，由于太空中缺乏重力，材料的输送需采用被动方式强制进行，因此，国际空间站上的机械加工还必须考虑到这些因素。而这正是NASA能提供专业支持的领域。在项目研发过程中，NASA专家为Made In Space公司提供了非常有价值的专业咨询服务。

2013年初，Made In Space公司被授予1项SBIR计划项目第二阶段合同，目标是研发1种适用于国际空间站的3D打印机商业模型。此外，该公司还获得了1项单独的SBIR计划项目第三阶段合同，目标是研制出2014年在国际空间站上进行测试的3D打印机模型。该3D打印机的原型首先在Zero-G公司的飞机上进行了抛物线飞行失重测试，但由于测试时间太短，无法充分验证在连续失重状态下该3D打印机运行的有效性。为了解决这一问题，该小型3D打印机原型被发射到国际空间站上进行了测试。在国际空间站上，该3D打印机原型制造了包括校准台和扳手等工具在内的30多件物品。这些物品的打印，大多数是采用发射前下载的设计文件制造的，也有一部分是根据在轨运行期间从地面上传到国际空间站的设计文件制造的。

NASA已梳理出了国际空间站丢失或损坏的工具、配件和其它物品的列表，包括结构部件、扭力扳手、容器、夹子及其它工具，涵盖复杂关键部件及普通部件。Niki Werkheiser说：“宇航员通常需要等待几个月的时间才能通过地球上发射来的飞船上获得所需的简单零件，而现在采用3D打印机，仅需几分钟就能够制造出所需的零部件。国际空间站上的宇航员对此感到非常兴奋。”Grant Lowery说：“NASA的1项研究预计，该3D打印机能够打印国际空间站上约30%的小零件和工具。”一些大的物品也可通过打印一些较小的零件组合而成。

该3D打印机原型能够打印丙烯腈、丁二烯和苯乙烯等高分子材料。而改进型3D打印机的尺寸略大，可以打印的材料种类更多。Niki Werkheiser说：“最终，NASA希望能够打印金属零件。目前，研究人员还在研究将3D打印成品转换为原材料的能力，以实现各种材料的完全回收利用。”

▲ Made In Space公司开发的太空3D打印机原型

根据国际空间站商业3D打印机使用协议，Made In Space公司拥有该3D打印机的所有权，NASA以用户的身份支付使用费用。Niki Werkheiser说：“NASA希望商业企业来提供所需的产品。”就像NanoRacks公司，其在国际空间站上研制并拥有36个模块化的实验装置，为NASA、大学、国外航天机构、私营企业等付费用户提供服务。Made In Space公司也希望拓展太空3D打印制造产品的需求范围。事实上，NanoRacks公司的首席技术官也担任着Made In Space公司研发团队顾问的职务，而且最终的3D打印机将与NanoRacks公司的设备共同部署在国际空间站的美国舱段中。

Grant Lowery说：“如果可以从地球上将详细的设计文件上传到国际空间站的3D打印机，用户就可以通过电子邮件将设计上传到太空中，制造出所需的硬件。Made In Space公司已经与多家企业、大学、政府机构，以及艺术家等进行了交流。他们对在太空中能轻松地制造产品，甚至将其从国际空间站发射到低地球轨道的功能非常感兴趣。”在他看来，太空3D打印技术的主要应用是纳米卫星的开发和部署。纳米卫星是直径约10.2cm的实验装置壳体，可携带任意数量的技术或实验载荷。研究人员仅用几个小时即可把卫星打印出来，在上面安装1个电子板，然后将其置于国际空间站外，这样，就完成了1个卫星实验装置的制造。

▲ Made In Space公司在Zero-G公司的模拟失重环境中测试3D打印机

NanoRacks公司已经拥有1套从国际空间站进行纳米卫星部署的系统，成功实施了多次太空试验，而这些小型实验装置均是通过火箭发射进入太空的。Made In Space公司的3D打印机可能会大大改变纳米卫星太空试验研究的现状。虽然卫星所需的材料仍然需要利用火箭运输到太空中，但有效载荷的尺寸限制将得到缓解。Niki Werkheiser指出，在太空中，纳米卫星已经与3D打印技术相结合，并在国防、通讯、教育、科学研究，以及其它领域获得了推广应用，展现出了广阔的市场前景。3D打印技术也可应用于地球上，军方已对3D打印技术的微精密制造能力、产品的高性能和高安全性表现出了浓厚的兴趣。例如，在深海、沙漠或偏远地区，1台耐用、可靠的3D打印机是特别有用的。

3D打印技术将使太空和地球上的偏远地区更适宜居住。Made In Space公司与NASA的合作是NASA与商业界合作的又一典型案例。SBIR计划的实施能够充分激发小企业的潜在能力，有助于实现NASA的目标，也有利于企业自身的发展。 (唐 甜)