加州大學(xué)在亞太空軌道測(cè)試光刻3D打印機(jī)，有望改變太空探索游戲規(guī)則

在未來(lái)的深空任務(wù)中,，距離地球數(shù)百萬(wàn)英里的航天器上的一個(gè)破裂部件很可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難,。但加州大學(xué)伯克利分校的一組研究人員已經(jīng)在努力改變這一現(xiàn)狀。2024 年 6 月 8 日,，他們的尖端 3D 打印機(jī) SpaceCAL 搭乘維珍銀河的 07 號(hào)任務(wù)進(jìn)行了一次短暫但具有開(kāi)創(chuàng)性的太空之旅,。在短短 140 秒的亞軌道飛行中，打印機(jī)成功制造出測(cè)試部件,，展示了太空按需制造的潛力,。這種能力對(duì)于遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們目前能力的未來(lái)任務(wù)至關(guān)重要。

△VSSUnity 上的 SpaceCAL 3D 打印機(jī)，于 2024年 6 月 8 日等待發(fā)射,。圖片由維珍銀河提供,。

該項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人是伯克利大學(xué)機(jī)械工程系的博士生兼研究生 Taylor Waddell。Waddell 的背景令人印象深刻,，包括他在美國(guó)宇航局肯尼迪航天中心擔(dān)任路徑規(guī)劃工程師,，在那里他從事各種前沿項(xiàng)目，從設(shè)計(jì)美國(guó)宇航局的太空發(fā)射系統(tǒng) (SLS) 火箭的硬件到開(kāi)發(fā)用于工程應(yīng)用的虛擬現(xiàn)實(shí) (VR) 工具,。

在伯克利,，沃德?tīng)栐诤５恰ぬ├战淌诘闹笇?dǎo)下領(lǐng)導(dǎo) SpaceCAL 項(xiàng)目，泰勒教授因其在革命性的 3D 打印工藝計(jì)算軸向光刻 (CAL) 方面的開(kāi)創(chuàng)性工作而聞名,。他們共同推動(dòng)太空制造的界限,，旨在使按需打印關(guān)鍵部件和醫(yī)療用品成為未來(lái)深空任務(wù)的現(xiàn)實(shí)。

△CAL（計(jì)算軸向光刻）打印技術(shù)的飛行硬件版本,。圖片由 Taylor Waddell 通過(guò) LinkedIn 提供,。

SpaceCAL 的旅程是太空制造業(yè)不斷發(fā)展的一部分。雖然太空 3D 打印并不是什么新鮮事,，畢竟國(guó)際空間站(ISS) 上已經(jīng)裝配打印機(jī)了,，但 Waddell 和他在伯克利的團(tuán)隊(duì)想要走得更遠(yuǎn)。他們一直在努力完善 SpaceCAL,，這是一項(xiàng)下一代技術(shù),，旨在通過(guò)擴(kuò)大可在太空打印的材料和物體范圍來(lái)進(jìn)一步減少對(duì)地球的依賴(lài)。該技術(shù)潛在的應(yīng)用范圍非常廣泛,，從制造關(guān)鍵的航天器部件到宇航員的醫(yī)療用品,。

△SpaceCAL團(tuán)隊(duì)成員在維珍銀河發(fā)射場(chǎng)（從左到右）：Sean Chu、JakeNickel,、Austin Portinause,、TaylorWaddell 和 Brian Chung。圖片由維珍銀河提供,。

在搭乘維珍太空飛船 (VSS) Unity 太空飛機(jī)（維珍銀河為商業(yè)太空旅游和科學(xué)研究而設(shè)計(jì)的 SpaceShipTwo 艦隊(duì)的一部分）進(jìn)入亞軌道空間的短暫 140 秒旅程中,，SpaceCAL 自主打印并后期處理了四個(gè)測(cè)試部件。其中包括航天飛機(jī)的微型模型和廣受歡迎的 3D 打印基準(zhǔn) Benchy 小雕像或3DBenchy,，這是一種小型,、高度詳細(xì)的模型。這些打印件使用的材料是 PEGDA,，這是一種液態(tài)塑料,，在光引發(fā)劑存在下暴露在光線下會(huì)變硬。

Waddell 說(shuō)：“SpaceCAL在過(guò)去的拋物線飛行測(cè)試中在微重力條件下表現(xiàn)良好,，但它仍有一些事情需要證明,。這項(xiàng)最新任務(wù)由 NASA 的飛行機(jī)會(huì)計(jì)劃資助，并得到了伯克利工程公司和伯克利航天中心的支持，使我們能夠驗(yàn)證這項(xiàng) 3D 打印技術(shù)是否適合太空旅行,。我們希望有一天它可以用于制造從航天器的零件和工具到機(jī)組人員的新隱形眼鏡和牙冠等一切東西,。”

此次任務(wù)的成功標(biāo)志著該項(xiàng)目的一個(gè)重要里程碑,，因?yàn)樵趯?shí)際太空條件下的測(cè)試驗(yàn)證了打印機(jī)已準(zhǔn)備好執(zhí)行更雄心勃勃的任務(wù),。

△由SpaceCAL 打印的航天飛機(jī)模型，在微重力環(huán)境下漂浮,，并經(jīng)過(guò)全面后期處理,。圖片由 TaylorWaddell 提供。

計(jì)算軸向光刻 (CAL)技術(shù)

SpaceCAL 背后的技術(shù)是計(jì)算軸向光刻 (CAL),，由伯克利和勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL) 的研究人員于 2017 年開(kāi)發(fā),。

CAL技術(shù)的原理通過(guò)反向應(yīng)用計(jì)算機(jī)斷層掃描 (CT) 技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)體積制造，通過(guò)從多個(gè)角度曝光光聚合物樹(shù)脂體積來(lái)制造結(jié)構(gòu),，在每個(gè)角度更新光場(chǎng),。必要的光場(chǎng)在空間和/或時(shí)間上是多路復(fù)用的，這樣它們?cè)谀繕?biāo)樹(shù)脂體積中的總能量劑量將樹(shù)脂交聯(lián)成用戶(hù)定義的幾何形狀,。這些光場(chǎng)可以是靜態(tài)的或動(dòng)態(tài)的,，可以由空間光調(diào)制器 (SLM) 生成，該調(diào)制器控制光場(chǎng)的相位或振幅（或兩者兼而有之）以提供必要的強(qiáng)度分布,。

事實(shí)上,，CAL 可以在短短 20 秒內(nèi)打印出零件。但 CAL 的與眾不同之處不僅在于速度,，還在于它能夠在微重力環(huán)境下有效運(yùn)行,。這使其成為太空應(yīng)用的理想候選者,。

沃德?tīng)柋硎荆骸敖柚?CAL,，我們能夠證明——首先是在零重力任務(wù)中，現(xiàn)在在這次太空飛行中——我們可以在微重力環(huán)境下打印地球上無(wú)法打印的部件,�,！�

到目前為止，CAL 已經(jīng)證明它可以成功打印地球上 60 多種不同的材料,，例如硅膠,、玻璃復(fù)合材料和生物材料。Waddell 表示,，多功能性對(duì)機(jī)艙和機(jī)組人員都很有用,。

專(zhuān)家指出：“因此，有了艙室,，如果你的航天器出現(xiàn)故障,，你可以打印 O 形環(huán)或機(jī)械支架甚至工具。但 CAL 還能夠修復(fù)機(jī)組人員。我們可以打印假牙,、皮膚移植物或鏡片,，或?yàn)橛詈絾T打印個(gè)性化的急救藥品，這在這些任務(wù)中也非常重要,�,！�

事實(shí)上，LLNL 已經(jīng)獲得了 NASA的資助,，將在國(guó)際空間站上使用 CAL 技術(shù)測(cè)試生物打印,。該任務(wù)的長(zhǎng)期目標(biāo)是在太空中打印人體器官，并將其帶回地球用于移植,。

△美國(guó)宇航局艾姆斯研究中心的 SpaceCAL 團(tuán)隊(duì)成員（從左到右）：Dillon Balk,、Sean Chu、Ameera Elgonemy 和 Brian Chung,。圖片由 Taylor Waddell 提供,。

沃德?tīng)枌⒃擁?xiàng)目的成功歸功于許多人的貢獻(xiàn)，從海登·泰勒納米級(jí)制造實(shí)驗(yàn)室的同學(xué)到確保任務(wù)成功的維珍銀河工程師,。沃德?tīng)栠�表示,，他的導(dǎo)師泰勒教授給了他自由探索自己熱愛(ài)的領(lǐng)域，并帶領(lǐng)項(xiàng)目朝著他認(rèn)為最有前途的方向發(fā)展,。

該項(xiàng)目得益于 NASA 提供的 140萬(wàn)美元資助和工程支持,。此外，維珍銀河在將該項(xiàng)目提升到新水平方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用,。憑借這次成功的任務(wù),，Waddell和他的團(tuán)隊(duì)希望與 NASA 密切合作，進(jìn)一步開(kāi)發(fā) CAL 技術(shù),。

隨著太空探索的不斷發(fā)展,，在太空中制造零部件和物資的能力將變得越來(lái)越重要。無(wú)論是為宇航員打印牙冠,，還是為緊急醫(yī)療程序打印手術(shù)工具,，可能性都是無(wú)窮無(wú)盡的，而 SpaceCAL 可能正是適合這項(xiàng)工作的打印機(jī),。

△SpaceCAL任務(wù)補(bǔ)丁,，標(biāo)志著 3D 打印機(jī)首次進(jìn)入太空。圖片由 KirkMendoza 提供,。