深入研究微重力下的3D打印以用于未来的太空探索

失重实验室的非凡优势吸引了数十年来的科学家。那是因为在微重力条件下观察现象和过程可以帮助为深空人类探索做好准备，并提供知识以改善地球上的生活质量。微重力为探索多种科学研究的基础提供了理想的环境，并且可以把握释放3D打印全部潜力的关键。无需地球上经历的扭曲，研究人员就可以洞察物理和生物系统的内部运作，从而推动轨道上的增材制造（AM）技术的发展。

多年来，研究人员一直在进行微重力研究。在国际空间站（ISS）的国家太空实验室成为研究轨道的平台之前，太空机构完全依靠其他手段。这些包括降落塔，亚轨道太空飞行，人造微重力模拟器，尤其是在地球上的抛物线飞行中，可以对其进行调整以实现零重力或降低重力水平，例如在月球或火星表面上发现的水平。自1950年代以来，已经出现了许多创新和可行的选择，但仅限于持续仅几秒钟的短连续微重力跨度。

国际空间站上唯一的一个永久占据的微重力实验室，使研究人员和太空人员可以进行数百小时的实验，证明理论并揭示以前无法解释的现象。他们甚至已迈出第一步，以实现对离地球的按需微重力3D打印站的要求。

ISS提供了一个宝贵的起点，可以推动3D打印技术在太空中的潜力。ISS首席科学家Kirt Costello表示：“在太空中，没有浮力驱动的对流。热的事物不会胜过冷的事物，因此在很多时候，当你进行材料科学时，尤其是涉及材料的熔化或加工时，可能会有所发现。因此，人们在研究太空中的新材料以及如何使用微重力作为因素之一来形成更坚固，更有利的材料方面取得了进步。”

由于基于地球的后勤支持的可用性极为有限，因此3D打印功能可能会成为太空中最重要的技术之一。今天的太空飞行任务要求美国国家航空航天局（NASA）每年向ISS运送7,000磅以上的备件。当另外29,000磅的航天硬件备件存储在该站上时，还有39,000待在地面上，可以根据需要准备飞行。

这种后勤系统可能对于在地球上空250英里处运行的航天器非常有效，但是对于未来的登月，火星及以后的飞行任务，这根本不可行。一艘太空船到达月球大约需要三天，而每磅的成本为10,000美元，任何一个月球殖民地都会很快成为一项非常昂贵的任务。太空人员将需要制造自己的备件，工具和材料。因此，利用普通原材料按需制造是必不可少的，一些研究人员正在探索使用各种循环利用的船上废料作为原料。

首批空间3D打印机

迄今为止，该空间站已经收到了多个3D打印实验和3D打印系统平台。2014年秋天，作为零重力技术示范任务中3D打印的一部分，美国宇航局和太空制造（MIS）进行了首次使用熔融长丝制造（FFF）打印机进行在轨制造的演示。一旦安装在ISS的“微重力科学手套箱”（一种用于调查的密封设施）中，打印机就可以立即工作，甚至搅动了 Barry“ Butch ” Wilmore指挥官在国际空间站上印刷的第一把3D扳手。

任务的主要目的是证明打印机的关键操作功能，并通过制造机械性能测试物品和功能性工具，通过FFF流程评估微重力对材料结果的影响，并最终演示远程命令。根据NASA的分析，经过为期四年的比较研究实验，航天局在国际空间站上使用地球上的3D打印机并在模拟微重力下制造了工具和其他物体，所有物体的性能均相同。实际上，在已发表的研究中，研究人员指出，在基于物理的FFF过程模型中，微重力对材料结果没有显着影响。

3D打印任务成功地证明了迈向太空制造的第一步。但是，MIS推出了另一家商业印刷设施，从而不断提高了其在非地球制造领域的视野。这次，该公司的增材制造工厂（AMF）于2016年3月到达轨道，并已利用三种不同的聚合物，分别为ABS塑料，绿色聚乙烯生物塑料和航天材料，为各种商业和私人客户增材制造了100多个零件。可以使用的塑料PEI / PC。

利用3D打印进行空间开发是该技术的最终用途。在地球上，AM与更老，更成熟的制造平台竞争。在太空中，3D打印可以成为全新商业领域中第一个，最可靠，最具成本效益的生产平台。太空3D打印是一项启用技术，对于人类在低地球轨道（LEO）环境之外的探索至关重要。通过对关键系统进行一些修改，MIS能够证明基于挤压机的增材制造在微重力下的功能与在地面上的相似，从而提供了完整的概念证明。

但是，根据MIS的经验，将聚合物原料用于在轨AM并没有显示最终产品与地面产品的实质差异。虽然这可以很好地预测轨道上将产生什么，但科学家认为，使用聚合物原料缺乏结构差异也可能会限制太空增幅材料在材料性能方面的优势。

或者，对于金属不是这种情况。金属AM在微重力下会改变产品的微观结构和孔隙率。由国际空间站美国国家实验室负责人，由太空科学发展中心（CASIS）组织的2020年虚拟增材制造研讨会上讨论了太空制造的优点和局限性的专家小组确定，在微重力下，熔池中缺乏对流驱动的混合会影响沉积过程中成分的元素混合/均匀性，以及冷却速率。因此，研究应考虑金属线（例如用于定向能量沉积）或聚合物丝系统，以及“混合介质”。”产品，例如纤维增强塑料或金属丝增强陶瓷。

“如果要在地球外建立可持续发展的存在，我们需要提出新的材料，或者需要调整旧的材料以在微重力环境中使用和减少，特别要注意环境，” NASA项目解释说。经理詹妮弗·埃德蒙森（Jennifer Edmunson）。“因此，如果我们想要在月球表面幸存的东西，则必须做好准备以应对热摆，辐射，微流星撞击和带静电的月球表面。如果新材料能够在月球环境中生存，它们很可能将在地球上生长得很好。”

专家认为，在地面系统不能轻易转化为微重力条件的情况下，有必要采用新颖的空间生产方法。为原料开辟新的选择，包括弹性体，泡沫和橡胶等软质材料；低粘度油墨；新的聚合物选择，例如更长的固化时间热固性材料，填充聚合物系统，连续纤维增强和半结晶聚合物。此外，有必要研究原位材料如何转化为合适的增材制造原料，尤其是对于其他行星体的原位资源利用而言，太空人可以期望找到可能具有变质成3D打印材料潜力的重碎石型材料。

尽管ISS国家实验室是探索微重力下3D打印可能性的理想环境，但仍有许多未解决的问题。到目前为止，太空机构和私人公司之间的协作和创新方法一直使AM得以在太空中蓬勃发展。随着人类居住计划的扩展，其主要目的是探索比以往任何时候都更多的月球表面，这个独特的轨道实验室对于了解人类如何在长期内可持续生活至关重要。