新太空經(jīng)濟(jì)中的增材制造：當(dāng)前成就和未來前景,！

來源 : 增材在線


近年來，太空探索領(lǐng)域發(fā)生了變革,，新太空經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展,。這種演變不僅重新定義了現(xiàn)有的太空基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù)，而且使太空訪問民主化,，加速了探索工作,。這種演變的核心是增材制造(AM)，這是一項(xiàng)突破性技術(shù),，從根本上改變了發(fā)射器和太空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)格局,。增材制造不僅提高了現(xiàn)有太空任務(wù)的效率，還為太空探索和在地球以外建立可持續(xù)人類住區(qū)開辟了新途徑,。

2023年11月17日,，歐洲空間研究和技術(shù)中心與米蘭理工大學(xué)學(xué)者合作在《Progress in Aerospace Sciences》（中科院1區(qū)，Top,，影響因子9.6）發(fā)表最新綜述文章“Additive manufacturing in the new space economy: Current achievements and future perspectives”,，對推動增材制造在關(guān)鍵空間領(lǐng)域采用的工業(yè)需求進(jìn)行了全面且最新的探索，深入研究了現(xiàn)有應(yīng)用和未知領(lǐng)域,，探索創(chuàng)新進(jìn)步,，同時強(qiáng)調(diào)行業(yè)差距和障礙。在增材制造技術(shù)日漸成熟、增材制造組件在太空任務(wù)中逐漸應(yīng)用以及與主要太空市場趨勢相一致的研究和投資激增的背景下,，該綜述旨在為航空航天和制造界提供當(dāng)前和未來的全景圖,，以及在快速擴(kuò)張的新太空經(jīng)濟(jì)中增材制造的未來機(jī)遇。此外,，它揭示了該領(lǐng)域的深遠(yuǎn)影響和勢頭,，同時審視需要共同關(guān)注的重大挑戰(zhàn)。

圖1. 增材制造可以成為新太空經(jīng)濟(jì)主要領(lǐng)域的關(guān)鍵賦能技術(shù),。

圖2. 用于空間應(yīng)用的通過金屬增材制造生產(chǎn)的拓?fù)鋬?yōu)化的鋁合金和鈦合金部件示例：a) 韓國通信衛(wèi)星Koreasat-5A 和Koreasat-7 的鋁制支架,，b) 用于納米衛(wèi)星的鋁制光學(xué)平臺，c) ) Sentinel-1 衛(wèi)星的鋁合金天線支架,，d) Scalmalloy® 機(jī)構(gòu)支架演示器,，e) SpaceIL 的 GLPX 登月航天器的發(fā)動機(jī)支架支架。

圖 3. 用于空間演示器和應(yīng)用的增材制造金屬部件示例,，利用晶格結(jié)構(gòu)帶來的各種優(yōu)勢：a) 太陽軌道器太陽傳感器支架演示器；b) 用于環(huán)境控制和生命支持系統(tǒng)（ECLSS）的分子篩加熱板,；c) 低溫?zé)峤粨Q器-注射器-冷凝器演示器,；d) 大型（134 × 28 × 500 mm）金屬晶格結(jié)構(gòu)演示器。

未來挑戰(zhàn)

雖然主流研究和工業(yè)發(fā)展都集中在增材制造方法上,，以滿足新太空經(jīng)濟(jì)計(jì)劃的宏偉目標(biāo)和相關(guān)挑戰(zhàn),。然而，有幾個與增材制造相關(guān)的領(lǐng)域尚未得到充分探索——或者至少比其他工業(yè)應(yīng)用探索得少——需要解決和進(jìn)一步發(fā)展,，以加強(qiáng)增材制造在戰(zhàn)略太空領(lǐng)域的作用,。例如，增材制造僅代表相當(dāng)復(fù)雜的工藝流程中的一個步驟,，包括粉末去除,、支撐去除、熱處理,、機(jī)加工,、表面精加工等。文獻(xiàn)中越來越多的注意力集中在后處理操作和它們不僅對生產(chǎn)鏈的整體成本和可持續(xù)性產(chǎn)生影響,，而且對制造零件的最終質(zhì)量也產(chǎn)生影響,。在某些情況下，后處理操作可能會修復(fù)缺陷,，它們也可能會引入額外的缺陷和不合格項(xiàng),。促進(jìn)增材制造在太空應(yīng)用中更成功采用的一個重要方面是從“增材制造設(shè)計(jì)”轉(zhuǎn)向“增材制造和后處理設(shè)計(jì)”概念和解決方案，旨在優(yōu)化增材制造零件的最終質(zhì)量和性能,，同時考慮自設(shè)計(jì)階段以來的后處理階段,。多位作者都指出了這一需求，其中一些人還提出了在單一設(shè)計(jì)框架中處理增材制造和后處理的方法,。然而,，這種統(tǒng)一框架在工業(yè)界的實(shí)際實(shí)施仍然相當(dāng)有限,。事實(shí)上，構(gòu)建設(shè)計(jì)軟件工具在為設(shè)計(jì)師和工藝工程師提供涵蓋整個生產(chǎn)鏈的集成和整體方法方面仍然不完全有效,。此外,，設(shè)計(jì)指南和構(gòu)建優(yōu)化方法尚未完全成熟，特別是對于工業(yè)開發(fā)程度較低的工藝,，因此最佳實(shí)踐仍然是研究和持續(xù)改進(jìn)的對象,。由整體視角驅(qū)動的設(shè)計(jì)選擇的簡單示例包括用于去除粉末的額外孔、用于加工關(guān)鍵特征的額外庫存材料,、用于基準(zhǔn)的平坦表面的集成以及用于更好的位置公差和軸向定位的附加特征,，但還有更多機(jī)會尚未得到充分探索。增材制造方法在所有空間領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用在很大程度上取決于設(shè)置一個包含所有必要步驟的集成良好且高效的工藝流程的能力,，這在涉及大批量生產(chǎn)的應(yīng)用中尤其重要,，例如涉及巨型衛(wèi)星的部署。

就金屬增材制造而言,，最新技術(shù)主要涉及兩類工藝,，即用于需要高尺寸精度并呈現(xiàn)復(fù)雜幾何特征的中小型零件的PBF，以及應(yīng)用于大型零件的DED或混合制造,。未來的研究預(yù)計(jì)將擴(kuò)展到其他金屬增材制造技術(shù),，例如粘合劑噴射、FFF（fused filament fabrication,，熔絲制造）,、冷噴涂和基于攪拌摩擦的增材制造技術(shù)，盡管它們具有顯著的潛力,，但目前在空間上的成熟度有限,。粘合劑噴射對于復(fù)雜零件的批量生產(chǎn)以及納米、微米和小型衛(wèi)星領(lǐng)域的小型化組件的制造特別有吸引力,。

金屬FFF雖然需要粘合劑和粘合劑噴射等后燒結(jié),，但具有避免使用粉末的優(yōu)點(diǎn)。對于太空應(yīng)用,，這在部件使用壽命期間的清潔度和避免交叉污染風(fēng)險(xiǎn)方面產(chǎn)生了相關(guān)優(yōu)勢,，也為中小型部件提供了更低成本的解決方案。在新穎的加工能力中,，4D打印也開始引起航天公司的興趣,。4D打印是指智能材料的增材制造生產(chǎn)，這種材料可以以預(yù)先編程的方式響應(yīng)外部刺激而發(fā)生變化,，其中第四維指的是時間,。在太空領(lǐng)域，4D打印可用于生產(chǎn)具有各種有吸引力的特性的金屬太空織物，包括反射性,、被動熱管理和可折疊性,。這種織物與其他形狀記憶材料一起可用于可展開結(jié)構(gòu)，如太陽能電池陣列,、天線和太陽帆,，甚至用于新型宇航服。4D打印未來發(fā)展的其他前沿涉及生產(chǎn)在需要時改變材料吸收率或發(fā)射率的空間結(jié)構(gòu)的可能性,，或者地球軌道上的航天器的自我修復(fù)結(jié)構(gòu)面板,，以保護(hù)它們免受空間碎片和微流星體的影響。

一般來說,，大多數(shù)整合的增材制造工藝和材料都無法完全解決新太空經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的苛刻要求和新挑戰(zhàn),。未來的研究工作預(yù)計(jì)將提高新技術(shù)和新合金的成熟度，以支持未來的空間基礎(chǔ)設(shè)施和空間探索計(jì)劃,。在多材料和功能分級零件以及用于太空推進(jìn)的新型貴金屬合金的框架中已經(jīng)取得了重要成果,，但進(jìn)一步的材料和工藝開發(fā)仍處于早期階段。

最后,，所有制造的零件必須符合嚴(yán)格的資格和認(rèn)證要求,，特別是通過增材制造生產(chǎn)的關(guān)鍵任務(wù)零件。傳統(tǒng)上,，航天工業(yè)嚴(yán)重依賴結(jié)合多種技術(shù)和尖端方法的擴(kuò)展NDE檢查。新太空經(jīng)濟(jì)市場競爭的加劇迫使所有主要機(jī)構(gòu)和公司重新考慮其零件資格和工藝驗(yàn)證程序,，迫使他們在檢查和驗(yàn)收測試的時間和成本方面尋找更有效的解決方案,。與原位和在線測量相關(guān)的持續(xù)改進(jìn)和發(fā)展可能會提供一個有希望的機(jī)會。事實(shí)上,，增材制造工藝的分層范式允許在零件生產(chǎn)時測量每層中的多個感興趣的量,。這意味著深入理解零件的熱歷史并表征整個過程中過程行為的巨大潛力。收集到的數(shù)據(jù)可用于預(yù)測缺陷和不穩(wěn)定工藝條件的檢測,，并為難以或不可能通過NDE檢查的幾何特征提供計(jì)量數(shù)據(jù),。大多數(shù)金屬增材制造系統(tǒng)開發(fā)商都在其機(jī)器中集成了各種傳感器，用于在線和原位數(shù)據(jù)收集,，在少數(shù)情況下,，還可以使用自動異常檢測方法。不斷加大的研究力度致力于提高理解大量現(xiàn)場收集數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)嵌入式實(shí)時智能監(jiān)控和計(jì)量功能的能力,。

相反,，“主動”方法不僅限于檢測缺陷或不穩(wěn)定的過程狀態(tài)，而且還可以根據(jù)監(jiān)測的現(xiàn)象調(diào)整過程參數(shù),。為了生產(chǎn)太空零件,，目前只有符合現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的被動方法才可以接受。這些方法的認(rèn)證應(yīng)“依賴于對測量現(xiàn)象的物理基礎(chǔ)的透徹理解、測量現(xiàn)象與定義的缺陷過程狀態(tài)的經(jīng)過驗(yàn)證的因果關(guān)系,，以及缺陷過程狀態(tài)檢測的經(jīng)過驗(yàn)證的可靠性水平,。如果上述方式合格，則可以使用現(xiàn)場過程監(jiān)測技術(shù)來補(bǔ)充無損評估方法”,。隨著增材制造系統(tǒng)的嵌入式智能和自適應(yīng)控制算法預(yù)計(jì)將變得越來越魯棒,，現(xiàn)場監(jiān)測和閉環(huán)控制技術(shù)的結(jié)合未來可能會發(fā)展。前饋和反饋控制方法可以在不同層面上結(jié)合起來,，以提高制造零件的質(zhì)量,，并在很大程度上避免缺陷的出現(xiàn)。在線缺陷校正代表了實(shí)現(xiàn)零缺陷和一次成功的增材制造功能的另一種方法,。所有這些潛力都已在受增材制造技術(shù)影響的所有工業(yè)部門進(jìn)行了廣泛研究,，預(yù)計(jì)它們也將在航天領(lǐng)域智能增材制造能力的發(fā)展中發(fā)揮重要作用。

所有上述挑戰(zhàn)和機(jī)遇都適用于在地球上生產(chǎn)空間部件,。太空和地球上的增材制造代表了在太空中建立未來人類住區(qū)的最雄心勃勃和最有遠(yuǎn)見的計(jì)劃,，開啟了人類歷史上的新紀(jì)元。在增材制造為未來太空殖民和利用計(jì)劃做出貢獻(xiàn)的多種方式中,，3D生物打印代表了一項(xiàng)新技術(shù)前沿,。

3D生物打印是一種增材制造技術(shù)，其中細(xì)胞和生物材料以逐層方式同時沉積,，以生成具有預(yù)先設(shè)計(jì)的形狀和尺寸的生物活性3D組織,。不同的工藝適合這一目標(biāo)，包括基于擠出,、激光輔助,、噴墨、立體光刻和雙光子聚合方法,。太空探索特別感興趣的3D生物打印技術(shù)的一個應(yīng)用領(lǐng)域是再生醫(yī)學(xué)和組織工程,，它允許利用組織重建和再生來開發(fā)功能性生物組織替代品。3D生物打印已用于多種組織的生成和移植,，包括多層皮膚,、骨骼、血管移植物,、氣管夾板,、心臟組織和軟骨結(jié)構(gòu)。然而,，幾個重大挑戰(zhàn)仍然限制了生物打印全功能復(fù)雜組織和器官的能力,。這些挑戰(zhàn)包括實(shí)現(xiàn)血管化和細(xì)胞穩(wěn)定性的困難、缺乏多材料打印解決方案以及分辨率,、細(xì)胞粘度和數(shù)量,、生產(chǎn)時間和相關(guān)成本方面的限制,。

各個研究小組和航天機(jī)構(gòu)正在探索3D生物打印方法，作為長期和遠(yuǎn)距離人類探索任務(wù)的關(guān)鍵支持技術(shù),。國際空間站上的醫(yī)療突發(fā)事件目前被視為急救干預(yù)措施,。預(yù)計(jì)船上不會進(jìn)行手術(shù)，但患者必須穩(wěn)定下來才能緊急返回地球,。類似的程序也適用于月球醫(yī)療問題的管理,，緊急重返地球可以在三到四天內(nèi)完成。對于距離地球較遠(yuǎn)的任務(wù),，例如未來的載人火星任務(wù),，應(yīng)設(shè)想一種不同的方法。在這些情況下,，再生醫(yī)學(xué)是唯一可行的選擇,。這促使越來越多的人對3D生物打印技術(shù)進(jìn)行投資，盡管航天領(lǐng)域在快速發(fā)展的整個生物打印市場中仍然只占一小部分,。越來越多的公司正在進(jìn)入這一領(lǐng)域,，不斷推動與生物打印工藝和生物墨水材料相關(guān)的技術(shù)創(chuàng)新。然而,，與所有其他應(yīng)用領(lǐng)域相比,，太空環(huán)境給3D生物打印工藝帶來了額外的挑戰(zhàn)。一是涉及低重力或微重力條件,。迄今為止,，已經(jīng)進(jìn)行了一些開創(chuàng)性的研究來證明拋物線飛行期間基于微擠壓的過程。更具體地說,，測試了顛倒打印,，顯示了在這種條件下使用水凝膠生物墨水和適合骨生物打印中機(jī)械支撐的糊狀磷酸鈣骨水泥打印明確結(jié)構(gòu)的可行性。在國際空間站上進(jìn)行的其他開創(chuàng)性測試涉及長期運(yùn)行的細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn),，證明了在微重力條件下管理細(xì)胞培養(yǎng)基和懸浮活細(xì)胞的可行性。與太空使用相關(guān)的最后一個挑戰(zhàn)與最大限度地減少從地球發(fā)射的材料的數(shù)量有關(guān),，這激發(fā)了對基于人體血漿和生物聚合物（即僅來自可再生來源）的創(chuàng)新生物墨水的研究,。血漿可以從正在打印組織結(jié)構(gòu)的宇航員那里獲得，而生物聚合物可以從太空中培養(yǎng)的藻類,、植物或細(xì)菌中分離出來,。

關(guān)鍵結(jié)論

過去10至20年間，航天行業(yè)取得了長足的發(fā)展,，從一個以政府運(yùn)營的高風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目為主流的資本密集型行業(yè),，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋�競爭激烈的領(lǐng)域，一些新的利益相關(guān)者和年輕公司正在引入新的技術(shù),。上下游領(lǐng)域的最佳實(shí)踐以及新的商業(yè)模式,。這種演變塑造了我們目前所說的新太空經(jīng)濟(jì),，在這種經(jīng)濟(jì)中，先進(jìn)的數(shù)字制造解決方案在實(shí)現(xiàn)雄心勃勃且具有挑戰(zhàn)性的目標(biāo)方面發(fā)揮著核心作用,。

地球觀測,、衛(wèi)星通信、導(dǎo)航和太空探索等空間領(lǐng)域的主要宏觀趨勢導(dǎo)致了對選擇最可行和最合適制造方法的驅(qū)動因素和要求的重新定義,，從而為增材制造技術(shù)的更廣泛采用奠定了基礎(chǔ),。世界各地的航天機(jī)構(gòu)制定的所有主要路線圖都定義了其未來航天活動和相關(guān)技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)，都將增材制造作為關(guān)鍵使能技術(shù)之一,。此外,，智能、數(shù)字和綠色制造是私人和公共努力的核心,，旨在提高每個工業(yè)領(lǐng)域（包括太空）的工廠的效率和可持續(xù)性,。智能制造的定義是利用高度數(shù)字化的系統(tǒng)執(zhí)行生產(chǎn)任務(wù)的能力，配備自動監(jiān)控和診斷能力,、在線適應(yīng)性和互操作性,。由于分層生產(chǎn)范式帶來的諸多好處，增材制造有潛力實(shí)現(xiàn)所有這些功能,。此外,，增材制造還與先進(jìn)材料的采用密切相關(guān)。其中,，梯度材料和功能化/仿生材料是兩個至關(guān)重要的創(chuàng)新領(lǐng)域,，增材制造為其帶來了前所未有的機(jī)遇。先進(jìn)制造議程中的其他相關(guān)主題包括擴(kuò)展可通過增材制造加工的材料范圍,、開發(fā)新的增材制造修復(fù)解決方案以及新的材料回收方法和后處理/精加工技術(shù),。這些只是需要持續(xù)研究工作的眾多領(lǐng)域中的一部分，以利用增材制造提供的多種好處和機(jī)會來支持可持續(xù)太空經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長,。在地球上,，預(yù)計(jì)在軌和行星增材制造將在未來幾年對實(shí)施和實(shí)現(xiàn)更加雄心勃勃的太空任務(wù)產(chǎn)生迅速增加的影響。一些增材制造部件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了飛行傳統(tǒng),，許多其他部件預(yù)計(jì)將在未來幾年內(nèi)飛行,，包括關(guān)鍵任務(wù)部件和3D打印火箭。采用增材制造的下一個前沿領(lǐng)域包括大型結(jié)構(gòu)的太空制造以及空間部件,、棲息地基礎(chǔ)設(shè)施和避難所的行星制造,，以及支持未來長期和遠(yuǎn)程載人任務(wù)的新型4D打印和3D生物打印方法。事實(shí)上,，人類即將面臨歷史性的里程碑,，例如人類重返月球、太空旅游基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展以及首次載人星際飛行任務(wù)的準(zhǔn)備,。僅靠傳統(tǒng)技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo),。增材制造是有望幫助航天機(jī)構(gòu)和私營公司應(yīng)對這些項(xiàng)目帶來的挑戰(zhàn)的創(chuàng)新解決方案之一,。因此，新的太空經(jīng)濟(jì)可以成為新型增材制造能力的開發(fā),、測試和驗(yàn)證的助推器,，然后這些能力可以轉(zhuǎn)移到各種其他應(yīng)用領(lǐng)域，作為通常具有重大太空創(chuàng)新特征的技術(shù)衍生品的一部分,。

論文引用

Ghidini T, Grasso M, Gumpinger J, et al. Additive manufacturing in the new space economy: Current achievements and future perspectives[J]. Progress in Aerospace Sciences, 2023: 100959.

https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2023.100959