悉尼大学和中国科学技术大学的工程师设计了一种能够在模拟空间条件下在高温下处理PEEK材料的3D打印机。

据该团队称，使用熔融沉积成型(FDM)3D打印，可以在轨生产PEEK卫星备件，但空间中发生的热传递不足会导致当前系统过热。为了克服这个问题，研究人员开发了一种带有比例积分 (PI) 控制器的新型3D打印机，能够在高达400°C的真空中运行，这可能使其成为未来在轨维修任务的理想选择。

研究人员提出的轨道3D打印系统示意图
图片来源：《空间研究进展》杂志

卫星维修难题？

目前在地球轨道上有约2,500颗卫星。除了通讯卫星，一部分卫星对于引导太空任务也至关重要，因此它们的失效有可能使航天器偏离轨道，并产生可能损坏航天器的碎片。

从理论上讲，通过“在轨制造”对其进行维修，可以防止卫星出现故障。研究人员认为这种方法比将装有维修装置的火箭发射到轨道上的成本更低。

然而，中国和澳大利亚的研究人员表示，到 2030年，在轨制造的成本预计仍将飙升至62 亿美元。为了帮助航空航天公司减少在这方面的支出，该团队因此强调了3D打印实验在国际空间站上的成功，并建议该技术可以部署在外层空间以及载人航天器上。

特别是，工程师们认为FDM机器可能是进行在轨制造的理想选择，因为它们没有激光器，依赖于易于储存的丝材以及与PEEK等坚固材料。然而，尽管他们对该技术持乐观态度，但该团队承认，由于过度熔化的丝材，当前的系统很容易受到材料堵塞的影响。

该团队轨道3D打印机（如图）的中心管旨在防止高温堵塞
图片来源：《空间研究进展》杂志

在真空中打印

为了使在轨3D打印更加可行，研究人员着手开发一种3D打印系统，该系统具有升级的热控制单元，可以降落在卫星上，然后使用机械臂更换损坏的部件。除了机械臂和起落架，该团队的第一个原型是标准FDM打印机的的基本结构，配有加热棒、块、水槽、带子、挤出机和散热器。

作为评估机器潜力的一种方式，该团队选择进行一些PEEK打印模拟。有趣的是，结果表明，增加设备的散热器和散热器之间的带子数量能够更有效地控制其中心管的温度，同时防止在进料过程中熔化的丝材回流。

通过模拟，工程师们还发现，在降低重力的情况下打印会导致材料自身附着在系统的内管上，增加摩擦并可能造成堵塞。为了解决这个问题，该团队反复修改了这一部分，然后提出了一种设计，用于提高其热传导效率，使其能够在高达 400°C的热量下运行。

最后，研究人员设计了一个数学模型，该模型证明了引入“模糊PI控制模块”将为他们的系统带来的好处。该设备本质上是作为故障保护装置，在温度达到380°C时会自动启动以防止过热和修复错误。

下一步，工程师们将在物理真空室中进行测试。将来，如果他们的打印机要找到最终用途的应用程序，该团队相信他们无需通过额外发射卫星进行维修来帮助“降低太空探索的成本和时间”。

Redwire现在已经在国际空间站上安装了几台3D打印设备，包括其Regolith Print
照片来源：Redwire

增材制造在轨应用

太空中的3D打印听起来像是科幻小说领域的东西，但该技术之前已经在美国宇航局的国际空间站 (ISS) 上进行了行星外测试。该领域的领先者之一是Made In Space，它现在是Redwire的子公司，该公司去年在轨道基地上安装了一个新的陶瓷3D打印模块。

该公司的技术也将安装在Blue Origin和Sierra Space即将推出的商业“轨道礁”空间站上。新基地定于2026年发射，预计将作为“混合用途商业园区”，同时进行“太空制造”的持续微重力研发和实验生产测试。

与此同时，在慕尼黑应用科学大学，研究人员采用了与澳大利亚-中国团队类似的方法，并开发了一种轨道卫星3D打印机。该系统旨在减少将维修设备发射到太空的需要，未来可以在零重力条件下构建整个太阳能电池板或天线相关部件。

研究人员的研究结果在题为“在轨3D打印平台的挤压和热控制设计”的论文中有详细介绍，该论文由Jianning Tang、Trevor Hocksun Kwan 和 Xiaofeng Wu合著。