在更广阔的未来,也许我们可以带着3D打印机去其他星球,甚至使用该星球的土壤作为材料进行3D打印,打印出适合人类居住的“大本营”。
今年,一家名为火箭实验室(Rocket Lab)的美国公司已累计把超过100颗卫星送入预定轨道。这家火箭公司的特别之处在于,其大部分火箭发动机是使用3D打印技术打印的。
当前,越来越多的航天公司正在使用3D打印技术研制航天产品。3D打印技术其实是“增材制造”的通俗说法。传统的减法制造是从一块材料中雕刻成品,而增材制造,是通过软件与数控系统,将材料逐层堆积固化的制造技术。通常,用3D打印技术加工金属类的产品,其原材料是金属粉末;用3D打印技术加工非金属的产品,原材料是丝材,打印过程类似“结茧”的过程。
航天领域应用3D打印技术有什么好处呢?现在,在航天制造包括卫星和火箭等产品的研制方面,传统制造模式面临部件设计结构复杂、工艺流程长、材料成本高等问题,3D打印技术则可以满足部分航天产品“更轻、更快、更便宜”的设计与制造需求,是航天领域未来结构设计与制造技术变革方向之一。
那么,更轻、更快、更便宜是如何做到的呢?
首先,在复杂结构的航天元器件的研制中,3D打印技术可以根据软件的数据模型直接成型,无需借助机械加工或者模具就可以完成零件的研制,同时可以很好地实现传统机械加工无法实现的异形结构,极大地缩短研发和研制周期。
其次,相比于传统工艺,3D打印在加工过程中能对粉末以及丝材进行充分利用,减少切割等造成的浪费,提高材料的利用率,降低制造成本。2016年,美国航天局通过3D打印生产的火箭零部件涡轮泵,与传统的焊接和装配技术相比,其原材料消耗减少了45%,制造该零件的整体成本仅为过去的35%。
最后,3D打印技术可以为航天器“减重”。在保证产品性能的前提下,通过软件算法,可以对零件内部材料分布进行结构优化。例如,传统卫星天线工艺生产出的零件是100%实心结构,而应用3D打印技术可以生产出轻量化部件。
近年来,中国商业航天公司也在应用3D打印技术“降本增效”方面做了积极探索。比如,通过3D打印技术进行高频微距波导、高性能天线等的加工,将部分载荷互联的空间压缩到传统占用空间的1/3,同时电性能还得到一定程度的提升,使得部分单机及系统的性能更上一层楼。
除了上述在地面上打印航天器部件以外,未来,在轨打印、太空打印的想象空间更大。
2020年,中国新一代载人飞船试验船上搭载了一台3D打印机,首次实现了中国太空3D打印实验。可以想象,未来,假如人们在太空中长期生活,无疑需要大量生活用品,如果所有物品都要从地球发射到太空,那么就需要一个体积无比巨大的火箭,发射成本极高。而3D打印技术可以通过“当场制造”解决这个问题。在理想情况下,只需携带一台先进的3D打印机和足够的原材料,到了太空以后,需要什么打印什么就可以了。
脑洞再开大一点,在更广阔的未来,也许人们可以带着3D打印机去其他星球,甚至使用该星球的土壤作为材料进行3D打印,打印出适合人类居住的“大本营”。
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