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3D打印走進太空

2019-02-21 09:21:27 | 來源: 人民日報 | 編輯: 朱安娜 | 責編: 鄭思雯
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  不久前在國際空間站,俄羅斯宇航員利用3D打印技術製造出了老鼠甲狀腺,這是人類首次在太空打印生物器官。

  在太空工作生活並不容易,經常出現物資匱乏情況。依賴地球“補給”制約著人類向深空探索。2014年,美國向國際空間站運送了世界首臺太空3D打印機,先後打印出一系列太空專用零部件,揭開了人類“太空製造”“自給自足”的序幕。

  一般來說,當國際空間站內缺少某種工具或部件時,宇航員們就得花上數周甚至數月等待地面送來物資補給。有了太空3D打印機,技術人員在地球上設定出物品的製造程序,然後用電子郵件發送至國際空間站,整個過程耗時不到一週,而實際打印時間只有約4小時。

  除了時間成本,太空3D打印所節約的運輸成本同樣可觀。空間站、基地或複雜航天器的系統由許多部分組成。儘管在建造時就力求可靠,但仍然面臨著零件損壞、系統升級等問題。如果攜帶大量預製零件進入太空,就會大大增加高昂的發射費用。如採用太空3D打印技術,只需將原材料和輕型打印機帶入太空,從而就地製造所需零部件,最大限度減少發射重量並提高工作效率。未來,當人類能夠從其他星球表面開採原材料時,還能在太空建立“零件工廠”,進一步減輕航天器的發射重量,節約空間。

  3D打印技術在太空的操作環境與地球大不相同,技術難度也不一。在地球上,依靠重力,3D打印機擠出的加熱塑料、金屬或其他材料能自然地沉積,一層一層打印出三維物體。而在太空零重力條件下,需要使用以給定速率旋轉的離心機來確保材料沉積到位,或者修改3D打印的過程來使設備平穩運行。不過,原本基於地球的3D打印技術更容易適應有著微重力環境的月球和火星。

  3D打印技術的“升空”還面臨著人手不足的問題。在缺少太空人員甚至無人監督的情況下,製作、提取、運送、安裝等整個打印過程,都需要借助高度自動化甚至全自動化的機器人來完成系統操作和協調工作。要想實現“太空製造”,機器人自動化技術必不可少,這一技術甚至比在零重力下進行3D打印更複雜,難度系數更高。只有擁有更加智慧的機器人,加上外星球“就地取材”技術的突破,人類才有可能通過機器人流水線在太空完成原材料收集、零件裝配,甚至是月球或火星基地建造工作。

  3D打印能設計出高精度的複雜幾何模型,其製造過程一度令人嘆為觀止。然而,與傳統製造業相比,材料需特製、量產成本高等限制因素使它看起來似乎有些“華而不實”,與普通人的日常生活還相去甚遠。不過,在航空航天、軍事、臨床醫學等尖端領域,3D打印可以在短時間內生產出高度個性化的部件和模型,令高端製造如虎添翼,人們對太空3D打印技術的前景充滿期待。(艾拉·阿特金斯)

  (作者為美國密歇根州立大學航天工程學教授,本報記者尚凱元採訪整理)

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