太空失重环境下3D打印机的未来前景如何？无重力飞行实验或成关键

导读：长期以来，在太空微重力环境下进行制造的想法一直都有几个明显的挑战："重力 "问题、质量控制和原材料供应。然而，一旦该想法得以成功实施，就地取材并完成制造有可能减轻对来自地球资源补给的依赖，使得人类太空中的生存更容易一些。

据南极熊了解，Made In Space公司早在2011年就曾创造了世界上第一台微重力3D打印机，使得这种科幻的东西变成了现实。从那时起，全世界至少有15台实验性3D打印机在零重力飞行环境下进行了测试。在企业、学术机构和航天机构的推动下，这类3D打印研究已经取得了成功，从2011年至2018年偶尔测试的几台打印机到2022年就有6台。

事实上，美国航天工业在2011年已经开始面临转型，曾经名噪一时的NASA航天飞机计划也在这一年结束。随着航天预算的大幅削减，NASA很快转向私营企业以满足其许多空间任务需求，Made In Space公司便是其中的一家杰出代表。

Made In Space源自于奇点大学（Singularity University），是一家为国际空间站（ISS）制造3D打印机的公司，致力于填补太空制造方面的技术空白。该公司的创始人麦克-陈认为：3D打印和太空制造将极大地改变我们今天看待太空探索、商业化和任务设计的方式。"

△MadeIn Space在抛物线飞行中测试3D打印机。图片来源：MadeIn Space/Redwire。

与Made In Space（现在归属于Redwire公司）一样，许多其他公司也决定在抛物线飞行中测试其3D打印技术。例如，2016年，工程公司和美国国家航空航天局的常规承包商Techshot（也被Redwire收购）与制造商nScrypt合作，创造了第一台微重力生物打印机，并在零重力公司飞行的飞机上进行了测试，该公司在美国机场完成了失重飞行实验。

飞机在墨西哥湾上空30000英尺（约9144米）时开始下落，模拟出失重状态，同时飞机上的生物打印机开始使用人类干细胞创建心脏和血管结构。与“太空制造 “一样，Techshot和nScrypt后来将生物打印机送往国际空间站美国国家实验室，宇航员在那里使用它来制造人类膝关节软骨测试印迹和其他人体组织。

太空制造的历史

几十年来，就地制造一直被作为一种在轨道上生产零部件的方法进行研究，以满足地外环境中即时获取零件的需求。在20世纪60年代末，苏联宇航员在太空中进行了第一次焊接实验，作为其空间制造研究的一部分。在接下来的十年里，美国开始在美国宇航局发射的第一个空间站Skylab中进行空间制造实验。

但是通向太空制造的大门在于对抛物线飞行条件的研究，它可以在地球上的飞机上重现无重力条件。通过交替的向上和向下的弧线，它们为科学家提供了必要的微重力环境，以进行研究，而无需实际前往太空。这种模拟失重可能始于20世纪60年代美国军用飞机上的第一个飞行空间实验室。不过，它仍然扩大并引入到了一些私营企业，如美国的Zero-G公司和法国的Novespace公司。

抛物线飞行：实现在轨3D打印的“重要一关“

随着有了更多的选择来重现太空中独特的失重状态，我们已经见证了一系列的打印机在抛物线飞行中成功测试。例如，在2016年底，伯明翰大学先进材料和加工实验室（AMP实验室）的Luke Carter在三个独立的抛物线飞行中展示了微重力下的金属3D打印。通过创造一个类似定向能量沉积（DED）的打印过程，并使用铝线作为原料，卡特和他的团队制作了一个近净成形的零件。

然后在2017年，由国家研究委员会和加拿大航天局支持的加拿大减重实验设计挑战赛（CAN-RGX）选择了两个团队在抛物线飞行中测试其3D打印实验。来自多伦多大学的AVAIL团队（分析液体中的粘度和惯性）建立了一个系统，控制粘性液体（本例中为玉米糖浆）通过15个不同的喷嘴，而来自阿尔伯塔大学的iSSELab团队（界面科学和表面工程实验室）收集了在减重力环境下3D打印材料的数据。

△SpaceFoundry在零重力测试飞行期间的打印。图片来源：Space Foundry

次年，一架欧洲抛物线飞行器在新西兰搭载中国科学院空间应用技术与工程中心的科学家在微重力环境下测试了第一台陶瓷DLP 3D打印机。在这次成功的活动之后，NASA选择了Gregory Whiting副教授和他的研究小组来测试和模拟3D打印功能材料在月球重力下如何工作。Whiting的研究小组，即博尔德实验电子和制造实验室，已经为2021年的两次抛物线飞行做了准备。

在相近的时间段内，慕尼黑应用科学大学的工程系学生也建造了一台带有挤出机的3D打印机，用于分配液体光聚合物，该研究是在欧洲航天局（ESA）的第74次抛物线飞行活动中从德国帕德博恩-利普施塔特机场起飞开展的。

2022年，一些令人难忘的零重力3D打印实验包括Space Foundry对天基电子打印的测试，该测试得到了NASA的飞行机会和小企业创新研究（SBIR）计划的支持。此外，加州大学伯克利分校的研究团队在5月10日测试了 "复制器"——一种基于光刻原理的3D打印机，打印了100多个物体。另外，一个德国企业测试了其专利的3D打印工艺，并首次使用金属粉末在零重力下进行3D打印。

上述提及的诸多太空3D打印的应用尝试都要归功于无重力飞行，与之相关的实验和过去几年内进行的类似实验也在下表中进行了汇总：