3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)減材或等材制造相比,3D打印技術(shù)消除了加工過(guò)程對(duì)中間模具的需求阳啥,能夠進(jìn)行快速需求響應(yīng),具有單件小批量定制 化快速制造的優(yōu)勢(shì)财喳,較適合空間制造需求察迟。
隨著航天技術(shù)的發(fā)展,探索深空耳高、建設(shè)地外星體基地乃至移民等逐漸提上研究日程扎瓶,涉及實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期在軌居留的物資和生命保障、空間應(yīng)用設(shè)施 (衛(wèi)星)的建造、太陽(yáng)系內(nèi)星球探索基地建設(shè)和運(yùn)行概荷,很大程度依賴于如何實(shí)現(xiàn)高效秕岛、可靠、低成本的“空間制造”误证,從而克服現(xiàn)有火箭運(yùn)載方式在載重继薛、體積、成本上對(duì)空間探索活動(dòng)的限制棕凉,以獲得深空探索所需的運(yùn)載平臺(tái)灯彩、工具與裝備√腋洌空間制造可直接利用太陽(yáng)能阵蔚、原材料等空間資源,實(shí)現(xiàn)自我維持杈鸵;同時(shí)扶免,空間微重力環(huán)境使得原位制造、組裝超大尺寸構(gòu)件成為可能岸欣。
3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)減材或等材制造相比,3D打印技術(shù)消除了加工過(guò)程對(duì)中間模具的需求亏傅,能夠進(jìn)行快速需求響應(yīng),具有單件小批量定制 化快速制造的優(yōu)勢(shì)凰届,較適合空間制造需求醉装。目前,我國(guó)正在推進(jìn)載人航天與空間站建設(shè)坚伍、月球探測(cè)等計(jì)劃宵睦,具備“空間制造”能力至關(guān) 重要,實(shí)現(xiàn)大尺寸功能構(gòu)件的空間制造墅诡、月球資源 利用與原位制造壳嚎,對(duì)我國(guó)空間探索具有十分重要 的推動(dòng)作用與戰(zhàn)略意義。根據(jù)空間探索對(duì)增材制 造技術(shù)的不同需求末早,空間增材制造技術(shù)的應(yīng)用環(huán) 境可以劃分為空間艙內(nèi)環(huán)境烟馅、在軌原位環(huán)境、星球基地環(huán)境等三種環(huán)境約束條件然磷。本文將圍繞這三種環(huán)境約束條件郑趁,分別對(duì)艙內(nèi)增材制造、在軌原位增材建造姿搜、月球現(xiàn)場(chǎng)增材制造等三個(gè)方面國(guó)內(nèi)外的前沿探索進(jìn)行綜述寡润,進(jìn)而對(duì)所面臨的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行分析與討論。
1 艙內(nèi)增材制造
1.1 微重力電子束熔絲沉積
NASA蘭利研究中心圍繞金屬零件的空間 3D打印開(kāi)展了研究舅柜,開(kāi)發(fā)了一套適用于空間飛 行的輕型電子束熔絲沉積成形設(shè)備(EBF3 ) 梭纹,如圖1所示躲惰。該輕型設(shè)備采用900 mm直徑鋁合金成型腔,腔 體壓力可以達(dá)到1〇4 Pa晶襟,利用3 ?5 kW小型電子 束槍作為能量源驳达,沉積平臺(tái)可以在300 x 300 x 150 mm空間移動(dòng),以直徑0. 8 mm鋁合金2319 (A12319)絲材作為原材料進(jìn)行沉積笼肴。研究人員 在 NASA的C-9微重力研究飛機(jī)上開(kāi)展了拋物線 飛行試驗(yàn)映情,研究微重力環(huán)境對(duì)電子束熔絲沉積工藝及零件性能的影響。研究對(duì)比了 0g笑杯、 1g 、2 g條 件下谍臀,電子束熔絲沉積成形零件的微觀結(jié)構(gòu)辱得、尺寸精度之間的關(guān)系
1.2 微重力熔融沉積
NASA馬歇爾飛行中心從1993年開(kāi)始關(guān)注 高分子材料熔融沉積制造工藝的空間適用性,并對(duì)石蠟抡杈、尼龍沉享、 ABS、( PPSF)加梁、 PC 以及 Ultem 9085 等一系列高分子材料開(kāi)展了空間環(huán)境及毒性水平研究顶质,于1999年選用ABS和 Ultem 9085在 KC- 135飛機(jī)上開(kāi)展了拋物線飛行試驗(yàn),完成了1 h 20 min的無(wú)重力試驗(yàn)融蹂,初步驗(yàn)證了微重力熔融沉旺订。
2014年11月25日,NASA 與 Made In Space公司合作實(shí)現(xiàn)了全球首次空間3D打印超燃,在國(guó)際空間站的微重力科學(xué)手套箱(MSG)中成功打印了印有“MADEINSPACE/NASA ”字樣的銘牌,并在國(guó)際空間站制造了約2 0個(gè)結(jié)構(gòu)樣件区拳,這些結(jié)構(gòu)樣件被分成材料性能測(cè)試、微重力環(huán)境下的成形性能測(cè)試意乓、結(jié)構(gòu)工具的功能測(cè)試共三類樱调,將用于和地面3D打印樣件進(jìn)行全面對(duì)比分析,研究空間環(huán)境對(duì)3D打印工藝及零件性能的影響規(guī)律届良。在歐洲笆凌,由歐洲宇航局授權(quán)意大利Altran公司研制的ESA第一臺(tái)空間3D打印機(jī)POP3D(Portable On-Board Printer)也已經(jīng)完成樣機(jī)的開(kāi)發(fā)工作,在2015年被送往國(guó)際空間站士葫。POP3D打印機(jī)在運(yùn)行時(shí)需要的電量非常小乞而,其質(zhì) 量大約為5.5 kg,使用的原材料是可生物降解的PLA線材为障。
1.3 面向空間應(yīng)用環(huán)境的高性能復(fù)合材料
如1.2 小節(jié)所述晦闰,目前在軌試驗(yàn)以工程塑料如 ABS、PLA等作為原材料鳍怨,采用熔融沉積工藝進(jìn)行塑料零件的制造散烂,很難實(shí)現(xiàn)高性能零件的制造巾妖。
為了克服該工藝瓶頸,實(shí)現(xiàn)高性能材料功能零件的空間快速制造变钙,西安交通大學(xué)提出了連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印新工藝方法牵梗,初步完成 了復(fù)合材料3D 打印噴頭的試制,搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)挥棒,如圖4.a所示仓脓,驗(yàn)證了連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料3D 打印機(jī)理的可行性,工作過(guò)程及打印樣件;研究了 3D 打印10 wt% CF/ ABS復(fù)合材料樣件的力學(xué)性能芭惠,測(cè)試結(jié)果表明其平均抗彎強(qiáng)度達(dá)到127 MPa锨间,遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)ABS零件,略低于同類傳統(tǒng)復(fù)合材料約140 MPa;抗拉強(qiáng)度比熔融沉積3D 打印ABS樣件提高了 6 倍弦离,是注塑成形ABS樣件的3倍婿芝,但仍低于傳統(tǒng)CF/ABS樣件,纖維拔出棵章、斷裂是3D打印復(fù)合材料的抗拉破壞形式
1.4 空間廢棄物利用再制造工藝
為了滿足空間廢棄材料回收循環(huán)利用的需求挨让,實(shí)現(xiàn)空間材料利用的最大化,美國(guó)的MadelnS- pace公司正在研發(fā)原材料回收循環(huán)再利用裝置缓溅,用于將使用完畢或損壞廢棄的零件材料進(jìn)行回收并制成絲材尝赵,以便再次用于空間在軌3D打印捶益。針對(duì)2.3中所制造的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料价淌,由于其3D打印工藝過(guò)程是按照一定的打印路徑采用逐層累加的方式進(jìn)行打印的活玲,復(fù)合材料中的纖維是按照連續(xù)有序的方式進(jìn)行排列的,基于該工藝原理袜匿,西安交通大學(xué)初步探索了CF/PLA零件的纖維回收再制造技術(shù)床玻。
該技術(shù)采用熱風(fēng)槍非接 觸式加熱熔融的方式沿著逆打印路徑,將連續(xù)纖維從工件中一層一層抽離出來(lái)沉帮,通過(guò)模具重新成 型為復(fù)合材料絲材锈死,如圖6(b)所示,并再次用于連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制件的3D 打印制造穆壕,如圖6(c)所示待牵,可以很好地實(shí)現(xiàn)連續(xù)纖維的回收與 復(fù)合材料再制造,最大化連續(xù)纖維的使用效率喇勋,同時(shí)降低對(duì)環(huán)境的二次污染缨该。高性能復(fù)合材料的回收再制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)廢棄物的零排放回收再制造,突破空間環(huán)境資源缺乏的瓶頸判逊,十分重要饿遏。初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用回收后的復(fù)合材料預(yù)浸絲作為原材料進(jìn)行再制造殊纫,獲得零件的力學(xué)性能比首次打印件提高了約25 % 替熊,熱循環(huán)過(guò)程導(dǎo)致的基體材料老化現(xiàn)象仍在研究過(guò)程中肿车。
2 在軌原位增材建造
2.1 空間環(huán)境原位3D打印
目前大型航天器結(jié)構(gòu)件均采用可展開(kāi)結(jié)構(gòu),先在地面上建造完成掘顾,折疊放入運(yùn)載火箭保護(hù)罩到讽,入軌后展開(kāi),結(jié)構(gòu)尺寸受到運(yùn)載火箭保護(hù)罩體積與有效載荷的限制累踱,且耗資巨大保媒。2013年,NASA 選定美國(guó)Tethers Unlimited公司的SpiderFab技術(shù) 做為外空間航天器大型結(jié)構(gòu)的在軌制造解決方案惫借,該公司提出一種以熱塑性纖維預(yù)浸帶或復(fù) 合纖維束為原材料辟昏,進(jìn)行熔融擠出復(fù)合材料管材 的工藝,在空間進(jìn)行復(fù)合材料管材擠出成形堰洛,并采 用蜘蛛機(jī)器人(SpiderFab )進(jìn)行組裝焊接的組合工藝虑稼,進(jìn)行大型桁架結(jié)構(gòu)的制造,如圖7所示势木。SpiderFab技術(shù)使飛船能夠在軌道上使用“Trusse- lat〇 r”3D打印和機(jī)器人技術(shù),在空間建造和組裝大型結(jié)構(gòu)歌懒,例如天線啦桌、太陽(yáng)能電池板、花朵型遮星板及皂、傳感器桅桿甫男、軌道側(cè)支索等。
2.2 面向空間的多用途柔性3D打印系統(tǒng)
西安交通大學(xué)開(kāi)展了多自由度3D打印技術(shù)的研究验烧,設(shè)計(jì)了3D打印工具箱模塊板驳,提出將該模 塊作為艙外機(jī)械手的工具箱配件,實(shí)現(xiàn)艙外空間3D打印功能碍拆。目前若治,已經(jīng)于地面上組裝了3D打印工具箱模塊,并用手持的方式模擬了機(jī)械手的抓取感混、打印等動(dòng)作端幼,初步驗(yàn)證研究的可行性。在此基礎(chǔ)上憨箍,搭建了多自由度3D打印原理樣機(jī)王捧,如圖8所示,可實(shí)現(xiàn)空間區(qū)域內(nèi)的六自由度3D打印遇娜。同時(shí)匹忙,根據(jù)空間復(fù)雜環(huán)境,初步制定了面向空間極端環(huán)境的3D打印策略区呕,并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證绣峰。
3 月球原位3D打印
在美國(guó)重返月球計(jì)劃(星座計(jì)劃)支持下槐芹,NASA馬歇爾空間飛行中心圍繞空間原位制造和修復(fù)( In-Situ Fabrication and Repair,ISFR)[12]以 及空間原位資源利用(In-Situ Resource Utilization撞浪,ISRU)開(kāi)展了系統(tǒng)研究糊争。ISFR/ ISRU的研究主要圍繞空間制造技術(shù)評(píng)估、空間資源利用可行性分析炭央、地面驗(yàn)證試驗(yàn)等開(kāi)展了系統(tǒng)研究婴鞭,并針對(duì)電子束熔化(Electron Beam Melting, EBM)技術(shù)熙掺、混凝土擠出( Concrete Extrusion System ) 工藝未斑、月壤資源利用等增材制造工藝與材料方面開(kāi)展了系統(tǒng)研究。
3.1 月壤高能束選區(qū)燒結(jié)
NASA馬歇爾空間飛行中心開(kāi)展的月壤電子束選區(qū)燒結(jié)工藝可行性研究發(fā)現(xiàn)币绩,月壤礦物組成 中包含了大量鋁蜡秽、鈦、鐵等元素缆镣,月壤選區(qū)燒結(jié)的最大優(yōu)勢(shì)是可以直接使用月球表面原材料進(jìn)行3D打印制造芽突,但所面臨的問(wèn)題是:如何優(yōu)化工藝,獲取足夠強(qiáng)度的零件結(jié)構(gòu)董瞻,避免如傳統(tǒng)陶瓷燒結(jié)所同樣面臨的材料脆性問(wèn)題(如圖9.a所示寞蚌,可觀察到大量玻璃態(tài)物質(zhì)析出)。為了避免該問(wèn)題钠糊,NASA研究人員采用鋁粉作為粘結(jié)劑與模擬月壤混合進(jìn)行了電子束選區(qū)燒結(jié)實(shí)驗(yàn)挟秤,樣件微觀結(jié)構(gòu) 如圖9.b所示,鋁粉熔化并對(duì)月壤進(jìn)行了包圍連接抄伍,但未見(jiàn)有力學(xué)性能的相關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)道[17]艘刚。
3.2 月壤擠出成形工藝
NASA馬歇爾空間飛行中心開(kāi)展了基于月壤的無(wú)水水泥制備與性能、混 凝土擠出成形工藝兩方面的研究截珍。 NASA與 Tou- tanji等人合作開(kāi)展無(wú)水水泥的研制與性能評(píng)估工作悲尝,研究團(tuán)隊(duì)采用可從月壤中提取的硫磺作為粘 結(jié)劑,與模擬月壤材料混合惰疯,制備出一種硫磺水泥合杜,又稱為月壤水泥(Lunarcrete),與傳統(tǒng)的水 基水泥不同强媚,硫磺水泥混合物被加熱到硫磺熔點(diǎn)(140°C)之上断迁,然后進(jìn)行冷卻,瞬間即可達(dá)到其最佳力學(xué)性能捞幅,從而獲得一種無(wú)水的混凝土結(jié)構(gòu)迎硼。與此同時(shí),NASA與南加州大學(xué)合作開(kāi)展相應(yīng)的混凝土擠出成形系統(tǒng)(Extruded Concrete System闲窃,或 Contour Crafting)雹税,如圖10所示效岂,實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的近凈成形,并開(kāi)展地面試驗(yàn)旧庶,驗(yàn)證該套裝 備在月球或火星的適用性额前。
3.3 月壤無(wú)機(jī)粘結(jié)劑3D打印
歐洲宇航局( European Space Agency,ESA) 資助牵敷,由英國(guó) Foster + Partners 公司胡岔、 Monolite 公 司、意大利Alta SpA公司枷餐、比薩大學(xué)等組成的研究團(tuán)隊(duì)靶瘸,專門研究如何就地取材,在月球上建立可 供人類居住的基地[19]毛肋,該研究團(tuán)隊(duì)采用英國(guó) Monolite公司研制的基于D-shape技術(shù)的3D打印機(jī)實(shí)現(xiàn)穹頂建造怨咪,該設(shè)備基于一個(gè)6 m寬的框架 (如圖11.a 所示),打印機(jī)的噴頭陣列在框架內(nèi)移動(dòng)润匙,每次打印的單層厚度是5 ?10 mm诗眨,把無(wú)機(jī) 粘結(jié)劑溶液噴到沙粒狀的建筑材料上,溶液和沙粒一起反應(yīng)凝固可形成大理石質(zhì)地的堅(jiān)固結(jié)構(gòu)體孕讳,該研究團(tuán)隊(duì)利用模擬月壤進(jìn)行了地面測(cè)試匠楚,打印出了蜂窩結(jié)構(gòu)構(gòu)件,如圖11.b所示卫病。
4 空間3D 打印的技術(shù)挑戰(zhàn)與前景
4.1 空間3D打印技術(shù)挑戰(zhàn)
空間極端環(huán)境條件,如高真空啄灭、微重力膏娃、高輻射、極端溫度以及裝備負(fù)載功率要求等囊喜,對(duì)3D打印工藝和材料提出了苛刻的要求蚜再,如何利用空間環(huán)境資源,開(kāi)發(fā)出適用于空間制造的3D打印工藝汪具、裝備與材料至關(guān)重要率敞。空間高真空條件(真空度小于10-5 Pa)為3D打印過(guò)程提供了一個(gè)優(yōu)異的制造環(huán)境滞逼,可避免地面制造過(guò)程中氧化灯狠、氣孔夾雜等對(duì)零件性能的影響。盡管如此泄肆,艙外極端環(huán)境條件仍給空間3D打印技術(shù)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)黔晶,主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面:
1) 微重力:空間微重力環(huán)境對(duì)3D 打印原料形態(tài)、工藝裝備類型提出了新要求鹤协,微重力環(huán)境 對(duì) 3D打印工藝的傳熱及材料凝固過(guò)程的影響規(guī)律尚未明確椎沟,對(duì) 3D 打印零件性能的影響規(guī)律仍 需進(jìn)一^步探索衍震;
2) 極端溫度:空間高真空、高太陽(yáng)輻射條下樱蛤,背陰/照射面溫度變化范圍可達(dá)到- 100? -200 ° C/100 ° C 钮呀,極端溫差導(dǎo)致3D 打印溫度場(chǎng)的極度不均勻;
3 ) 能源利用:按照空間設(shè)施建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)空間單臺(tái)設(shè)備功率應(yīng)低于1000 W昨凡,要滿足3D 打 印工藝過(guò)程及其溫度場(chǎng)控制對(duì)能量的需求爽醋,必須采取新的能源利用方式與溫度控制策略;
4) 材料:空間3D 打印所使用材料應(yīng)滿足質(zhì)土匀、高強(qiáng)度子房、耐極端溫度、耐空間射線輻射等要求就轧,甚至還需要高效回收再制造证杭,需解決空間原位材料利用問(wèn)題。同時(shí)妒御,現(xiàn)有地面使用的3D打印裝備質(zhì)量與 體積一般較大解愤,能耗較高,很難適應(yīng)空間飛行的需要乎莉,必須在質(zhì)量送讲、體積及能耗等方面對(duì)3D 打印設(shè)備進(jìn)行重新設(shè)計(jì),使其能夠承受有效載荷發(fā)射時(shí)的惡劣工況炒圈,且盡可能降低設(shè)備的故障率署咸。
4.2空間3D打印技術(shù)前景
為實(shí)現(xiàn)太空制造技術(shù), NASA提出了著名的 “Massless Exploration” 構(gòu)思蚕顷,首次分析了逐步 實(shí)現(xiàn)太空制造的四個(gè)階段:第一階段為地基 (earth- based)制造技術(shù)探索铜乱,米用地面試驗(yàn)方式, 對(duì)太空制造的可行性進(jìn)行驗(yàn)證;第二階段為基于 空間站平臺(tái)的空間制造技術(shù)試驗(yàn) 驗(yàn)證峰辣,基于第一階段的研究結(jié)果馏舰,在空間站平臺(tái)上 進(jìn)行太空制造與修復(fù),開(kāi)展小型衛(wèi)星的在軌制造拓坠、 塑料零件的在軌回收利用便浮、在軌金屬零件制造演 示等試驗(yàn);第三階段為基于行星表面平臺(tái)的空間制造技術(shù)驗(yàn)證。
重點(diǎn)解決空間原位資源(如月壤等)的利用技術(shù)赎遗,以及空間零件尤痒、建筑的構(gòu)造技術(shù),通過(guò)三個(gè)階段的試驗(yàn) 驗(yàn)證峰孝,為最終實(shí)現(xiàn)深空探索任務(wù)(Deep Space Mis-sions供技術(shù)支撐烁焙。近期,我國(guó)正在大力推進(jìn)空間站建設(shè)和探月工程,如何利用空間3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)太空制造,為建設(shè)空間站和探月提供制造手段支撐骄蝇,需要我 國(guó)3D 打印與空間技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行交叉合作膳殷,推動(dòng)空間3D打印技術(shù)的發(fā)展,借鑒 NASA的“ Mass- less Exploration”九火,結(jié)合我國(guó)空間站建設(shè)與探月工程的實(shí)際需求赚窃,可逐步進(jìn)行實(shí)施。
1 ) 開(kāi)展地面驗(yàn)證試驗(yàn)岔激,探索空間環(huán)境條件下3D打印工藝勒极、裝備與材料體系的可行性÷嵌Γ考慮空間極端環(huán)境對(duì)3D 打印工藝的影響辱匿,開(kāi)展地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),重點(diǎn)模擬空間環(huán)境下高性能聚合物及其 復(fù)合材料炫彩、無(wú)機(jī)非金屬材料匾七、多自由度大尺度制造等3D打印工藝與裝備;開(kāi)展面向空間應(yīng)用的輕 質(zhì)高性能材料如PEEK江兢、PEI及其復(fù)合材料的材料體系與3D打印工藝研究污涤,探索高性能聚合物及 其復(fù)合材料的高效回收利用方法;同時(shí)昙激,要積極探索空間原位材料的利用策略狰娱,如月壤、小行星表面 材料等赤猾,研究材料成分對(duì)3D打印工藝與制件性能的影響規(guī)律劈耽。
2) 開(kāi)展空間3D打印在軌實(shí)驗(yàn),可利用我國(guó)空間實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)照渴,在實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星拆楣、實(shí)驗(yàn)飛船以及空間站中開(kāi)展空間3D打印在軌實(shí)驗(yàn)(包括艙內(nèi)和艙外環(huán)境),研究有效載荷發(fā)射過(guò)程钾士、空間環(huán)境等對(duì)裝備穩(wěn)定性滩蔼、3D打印過(guò)程希弟、制件微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的影響規(guī)律应揉,為空間3D打印工藝裝備的優(yōu)化提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
3) 結(jié)合我國(guó)探月工程洞枷,開(kāi)展行星表面平臺(tái)或建筑的3D打印工藝探索诺舔,解決空間極端溫差、空間輻射等環(huán)境因素給空間零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出的新挑戰(zhàn);開(kāi)展空間原位資源利用研究备畦,利用月球表面資源與能源低飒,開(kāi)展月球表面原位制造的探索,為深空探索提供一個(gè)有效的制造基地。
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