3D打印技術幫助人類走出地球,，建立外星基地

南極熊導讀：如果說第一次太空競賽的高潮是美國宇航員的月球行走,，那么第二次太空競賽就是在月球上建造出一座建筑物,。在太空中憑借 3D 打印技術構建地外建筑物，一直以來就是眾多科學家們熱議的話題,�,；貧w到技術本身，3D 打印是否真的有可能帶人類走出地球,？

△中國空間站和核心艙在我國文昌航天發(fā)射場發(fā)射升空,，新華社記者 周佳誼 攝

2021 年 4 月 29 日 11 時 23 分，中國空間站和核心艙在我國文昌航天發(fā)射場發(fā)射升空,，準確進入預定軌道,，中國空間站在軌組裝建造全面展開，發(fā)射任務圓滿成功，這也標志著我國距離成功建設地外生存空間又近了一步,。中華民族一直是一個敢于逐夢,，從萬戶點燃座椅下的引信那一刻，到跨越幾百年后如的“嫦娥”,、“天宮“,、”天問“…我們有著同一顆向往宇宙的求索之心，不過今時今日的我們更幸運地是有了更多可以仰賴的先進技術,。

關于 3D 打印在太空中的應用,，早在 2014 年就有報道稱瑞士 RUAG 航天公司使用 3D打印的部件制造衛(wèi)星，從而使他們更輕,、更便宜,。衛(wèi)星的 3D 打印部件由德國 EOS 公司完成，最終的 3D 打印部件質量僅為過去部件質量的一半,，并且具有良好的剛度,。該公司正在研究下一步太空應用工藝，有可能用 3D 打印技術制造整個衛(wèi)星結構件,，這就意味著目前必須單獨制造的電氣線束,、反射鏡、加熱管和其他部件以后可集成制造,。
下面,，南極熊從“在地球上3D打印制造火箭升空→在空間站中3D打印零件→在火星或月球上3D打印建造基地”這么一個思路來聊聊，3D打印技術是怎么樣幫助人類走出地球的,。

在地球上的3D打印


△Relativity Space HQ的Stargate 金屬3D打印機

目前 3D 打印技術,，也已經(jīng)開始被應用于火箭的制造行業(yè)。據(jù)有學者講述,，將人類送去探索其他星球的最大障礙,，不是科技，而是成本,。而 3D 打印這種簡單,、省錢的方法就自然地出現(xiàn)在了科研者的視界中。軌道發(fā)射公司 Relativity Space 的研發(fā)團隊曾設計了一臺近兩層樓高的 3D 金屬打印機 Stargate,，它是目前世界上最大的用以制造火箭的打印機,。這臺打印機系統(tǒng)裝有多個打印頭，每個臂都裝有激光器,，它還配備了質量控制系統(tǒng),，包括云模擬、先進成像和檢測傳感器等,，并采用智能學習技術,，這些設計讓系統(tǒng)在打印結束后能進行自動化組裝,。

△3D打印的Relativity Space Aeon發(fā)動機點火

研發(fā)團隊表示正在用 Stargate 打印 Aeon 1 火箭引擎，還表示 20 天就能制造這樣一臺引擎,。相比于通常有數(shù)千個零件的發(fā)動機,，Aeon1 只有 100 個零件，他們還將打印運載火箭 Terran 1,。如果順利,，這將是目前世界上第一臺完全由 3D 打印出來的火箭。他的零件比傳統(tǒng)火箭少 100 倍,。另外,，相比傳統(tǒng)制造所需的 12-18 個月，據(jù)介紹 Stargate 能在 69 天之內就可以將原材料變成能上天的運載工具,。

3D 打印技術,，除了能讓發(fā)射成本降低，也能更靈活的滿足定制需求,。比如客戶可以根據(jù)不同的載荷,，調整整流罩的尺寸等。目前該企業(yè)正在籌集資金以完成 Terran 1 的研制和最終的發(fā)射工作,。但同時，Terran 首飛已經(jīng)從 2020 年底推遲到了 2021 年初,，部分原因在于,，公司將 2 米寬的整流罩增加了 3 米，載荷容量也因此增加了一倍,。


在空間站的3D打印


△2020年12月,，總部位于佛羅里達州的Made In Space太空制造公司，在太空軌道上制造了第一個陶瓷零件,，并在國際空間站（ISS）上3D打印了單件渦輪“葉盤”

△在空間站上3D打印的其他陶瓷零件

由于減少了重力引起的缺陷（例如沉降和成分梯度）,，在微重力下制造渦輪部件可能會產(chǎn)生具有更好性能的零件，包括更高的強度和更低的殘余應力,。這項技術證明了空間站潛在的獨特制造能力,，可以提高國際空間站的商業(yè)利用率。

在月球火星的3D打印
然后,，3D 打印的火箭成功登錄月球或是火星了,，就可以利用 3D 打印機在上面打印房子、汽車,，乃至是各種現(xiàn)代科技產(chǎn)品,，為人類未來可能的新家進行建設。在太空 3D 打印這一領域,，已有兩個機構成功競得贊助權,，以研究在月球和火星上進行建筑 3D 打印的潛力,。其中之一便是歐洲航天局,，他們利用 D-Shape 工藝在月球上進行建筑 3D 打印,。這是一種使用光固化技術的大型 3D打印機,，其逐層的打印工藝可將沙子與無機粘合劑結合在一起,，創(chuàng)造出類似石頭般的物質,。該研究團隊是由 D-Shape 工藝的發(fā)明者,、工程師恩里科·迪尼（Enrico Dini）,、福斯特建筑事務所的建筑師,、太空顧問阿爾塔公司（Alta SpA）以及圣安娜高等研究院機器人實驗室（PERCRO）的科學家們組成,。

另一個機構是美國國家航空航天局,，他們計劃利用輪廓成型工藝（Contour Crafting）在月球和火星上進行建筑 3D 打印。這是一種層積打印技術,，可以通過計算機控制的噴嘴擠出混凝土進行打印,。該研究團隊全部由來自于南加州大學（USC）的研究學者組成，其中包括輪廓成型工藝的發(fā)明者比赫洛克·霍什內維斯（Behrokh Khoshnevis）,、建筑師尼爾·里奇,、結構工程師安德爾斯 ·卡爾森（Anders Carlson）以及太空建筑師馬杜·唐加盧（MadhuThangavelu）。

與傳統(tǒng)工藝相比,，增材制造具有很多優(yōu)勢：制造的金屬或塑料部件更輕,，制造周期更短和成本更低。減重在航天工業(yè)是決定因素,，傳統(tǒng)的機械連接方式動輒上千個零件,，不但工藝繁瑣，配備零件的重量增加也給設備本身帶來了不穩(wěn)定因素,，3D 打印的一體化成型則可以很大程度上減小甚至避免這種問題產(chǎn)生,。因為航天器越輕，升空成本就越低,，這也決定了 3D打印技術將在航天具有廣闊的應用前景,。另一方面，3D 打印在零部件制造方面具有可觀的優(yōu)勢,，畢竟在太空中按需打印當然要比隨船運送或由補給船運送更好,。

人類的征途終將是星辰大海，那里一切神秘,，未來也終將一一解答,。也許真的有那么一天，人類會在地球以外的新的家園,，向外星人科普 3D 打印的美妙之處,。試想一下吧，在遙遠的不可知之地,，我們站在 3D 打印技術造就的高樓之下,，打開了手中的“南極熊3D打印”APP,，向我們的外星朋友介紹著我們是如何利用 3D 打印技術建造出這么宏偉的建筑，多美�,�,！是吧？
南極熊有個心愿：可以去火星或者月球上生活,，坐在基地的屋頂上,，遠看地球的陰晴圓缺。你愿意和我一起嗎,？