在更廣闊的未來(lái),也許我們可以帶著3D打印機(jī)去其他星球,甚至使用該星球的土壤作為材料進(jìn)行3D打印,打印出適合人類居住的“大本營(yíng)”。
今年,一家名為火箭實(shí)驗(yàn)室(Rocket Lab)的美國(guó)公司已累計(jì)把超過(guò)100顆衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。這家火箭公司的特別之處在于,其大部分火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是使用3D打印技術(shù)打印的。
當(dāng)前,越來(lái)越多的航天公司正在使用3D打印技術(shù)研制航天產(chǎn)品。3D打印技術(shù)其實(shí)是“增材制造”的通俗說(shuō)法。傳統(tǒng)的減法制造是從一塊材料中雕刻成品,而增材制造,是通過(guò)軟件與數(shù)控系統(tǒng),將材料逐層堆積固化的制造技術(shù)。通常,用3D打印技術(shù)加工金屬類的產(chǎn)品,其原材料是金屬粉末;用3D打印技術(shù)加工非金屬的產(chǎn)品,原材料是絲材,打印過(guò)程類似“結(jié)繭”的過(guò)程。
航天領(lǐng)域應(yīng)用3D打印技術(shù)有什么好處呢?現(xiàn)在,在航天制造包括衛(wèi)星和火箭等產(chǎn)品的研制方面,傳統(tǒng)制造模式面臨部件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝流程長(zhǎng)、材料成本高等問(wèn)題,3D打印技術(shù)則可以滿足部分航天產(chǎn)品“更輕、更快、更便宜”的設(shè)計(jì)與制造需求,是航天領(lǐng)域未來(lái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)變革方向之一。
那么,更輕、更快、更便宜是如何做到的呢?
首先,在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的航天元器件的研制中,3D打印技術(shù)可以根據(jù)軟件的數(shù)據(jù)模型直接成型,無(wú)需借助機(jī)械加工或者模具就可以完成零件的研制,同時(shí)可以很好地實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)機(jī)械加工無(wú)法實(shí)現(xiàn)的異形結(jié)構(gòu),極大地縮短研發(fā)和研制周期。
其次,相比于傳統(tǒng)工藝,3D打印在加工過(guò)程中能對(duì)粉末以及絲材進(jìn)行充分利用,減少切割等造成的浪費(fèi),提高材料的利用率,降低制造成本。2016年,美國(guó)航天局通過(guò)3D打印生產(chǎn)的火箭零部件渦輪泵,與傳統(tǒng)的焊接和裝配技術(shù)相比,其原材料消耗減少了45%,制造該零件的整體成本僅為過(guò)去的35%。
最后,3D打印技術(shù)可以為航天器“減重”。在保證產(chǎn)品性能的前提下,通過(guò)軟件算法,可以對(duì)零件內(nèi)部材料分布進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。例如,傳統(tǒng)衛(wèi)星天線工藝生產(chǎn)出的零件是100%實(shí)心結(jié)構(gòu),而應(yīng)用3D打印技術(shù)可以生產(chǎn)出輕量化部件。
近年來(lái),中國(guó)商業(yè)航天公司也在應(yīng)用3D打印技術(shù)“降本增效”方面做了積極探索。比如,通過(guò)3D打印技術(shù)進(jìn)行高頻微距波導(dǎo)、高性能天線等的加工,將部分載荷互聯(lián)的空間壓縮到傳統(tǒng)占用空間的1/3,同時(shí)電性能還得到一定程度的提升,使得部分單機(jī)及系統(tǒng)的性能更上一層樓。
除了上述在地面上打印航天器部件以外,未來(lái),在軌打印、太空打印的想象空間更大。
2020年,中國(guó)新一代載人飛船試驗(yàn)船上搭載了一臺(tái)3D打印機(jī),首次實(shí)現(xiàn)了中國(guó)太空3D打印實(shí)驗(yàn)??梢韵胂?,未來(lái),假如人們?cè)谔罩虚L(zhǎng)期生活,無(wú)疑需要大量生活用品,如果所有物品都要從地球發(fā)射到太空,那么就需要一個(gè)體積無(wú)比巨大的火箭,發(fā)射成本極高。而3D打印技術(shù)可以通過(guò)“當(dāng)場(chǎng)制造”解決這個(gè)問(wèn)題。在理想情況下,只需攜帶一臺(tái)先進(jìn)的3D打印機(jī)和足夠的原材料,到了太空以后,需要什么打印什么就可以了。
腦洞再開大一點(diǎn),在更廣闊的未來(lái),也許人們可以帶著3D打印機(jī)去其他星球,甚至使用該星球的土壤作為材料進(jìn)行3D打印,打印出適合人類居住的“大本營(yíng)”。
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