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中美首次太空3D打印對比

2020-09-07 13:37北方科技信息研究所高彬彬
軍民兩用技術與產品 2020年8期
關鍵詞:復合材料空間站航天

● 北方科技信息研究所 高彬彬

2020年5月5日,我國“長征”五號B大型運載火箭首次發(fā)射。次日媒體報道,首飛成功的“長征”五號B搭載了我國新一代載人飛船試驗船,船上還搭載了一臺3D打印機,這是我國首次進行太空3D打印實驗。

探索太空,征服遙遠的星辰大海,是大國科技角力的高級別戰(zhàn)場;3D打印是近年來各國競相發(fā)展的先進制造技術,這兩者的結合——“太空3D打印”無疑自帶高科技光環(huán)。談到高科技,不得不提當今世界頭號科技強國——美國,他們的首次太空3D打印是什么情況?中美之間有何差異?本文從材料、工藝設備等方面對比了中美首次太空3D打印任務,并對值得注意的幾個話題進行了延伸介紹。

一、從發(fā)射到打印的過程對比

美國:有人操作,多次打印

2014年9月21日,美國獵鷹-9火箭發(fā)射的“龍”(Dragon)飛船給空間站送去了一臺微波爐大小的3D打印機。11月17日,美國國家航空航天局(NASA)的航天員指揮官巴里·威爾默(Barry Wilmore)在空間站上安裝了這臺設備,并進行了首次校準測試打印。在結果傳回后,地面控制團隊發(fā)出指令,重新調整了打印機設置,并在11月20日進行了第二次測試。11月24日,地面控制人員向這臺打印機發(fā)出了打印第一個部件的指令,打印出的部件是一個擠壓機的外殼面板,也就是這臺打印機自己的備件。11月25日,航天員從3D打印機上取下該部件,并對其性能進行了檢查。

中國:無人操作,一次打印

2020年5月5日,“長征”五號B大型運載火箭將我國自主研制的“復合材料空間3D打印系統(tǒng)”搭載于試驗船返回艙中。飛行期間,該系統(tǒng)自主進行了連續(xù)纖維增強復合材料的樣件打印,5月7日1時58分完成預定打印任務,飛船下傳的圖像顯示,2個樣件成功打印,清晰可辨。這是我國首次開展軌道3D打印試驗,也是全球首次實現連續(xù)碳纖維增強復合材料的太空3D打印。

▲國際空間站“命運號”實驗艙內,美國宇航員指揮官巴里 · 威爾莫在微重力科學手套箱內安裝3D打印機

▲由中國空間技術研究院所屬北京衛(wèi)星制造廠有限公司研制的太空3D打印系統(tǒng)在地面進行試驗

分析:美國的首次太空3D打印是航天員在空間站操作,并與地面協(xié)同開展工作,有人控制、有人管理,設備工作異常時可以人為干預,全過程完成多次零件打印和測試。我國首次太空3D打印是在飛船飛行過程中由設備自動打印,全部流程自動控制、無人參與,打印過程也未與地面協(xié)同互動。

二、3D打印材料對比

美國:熱塑性塑料

據公開資料顯示,美國首次太空3D打印材料采用的是丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物(ABS樹脂)和更高級的太空級熱塑性塑料混合材料。熱塑性塑料是3D打印技術中應用較早、較成熟且廣泛的材料。ABS具有高度通用性,特別堅固耐用,適用于后處理技術,如打磨或黏合,但該材料不可生物降解,并且吸入水分或長時間暴露在陽光下都將影響打印質量,因此在不使用時必須將其存放在密封容器中。

中國:連續(xù)纖維增強復合材料

復合材料是由2種或2種以上不同性質的材料在宏觀或微觀上組成具有新性能的材料,其綜合性能往往優(yōu)于原組成材料。作為結構材料使用的纖維增強復合材料,尤其是連續(xù)纖維增強復合材料,具有較高的比強度和比模量,在航天、航空、汽車、化工等領域有較為廣泛的應用。

▲美國首次太空3D打印的扳手(打印文件由地面?zhèn)魉停蛴⊥瓿珊笥詈絾T在國際空間站上使用)

▲我國首次太空3D打印的樣件

分析:美國采用的熱塑性塑料是3D打印技術中采用較早且較普遍的一種材料。我國采用的連續(xù)纖維增強復合材料打印難度更大,該材料密度低、強度高,是當前國內外航天器結構的主要材料,開展復合材料空間3D打印技術研究,對未來空間站長期在軌運行、發(fā)展空間超大型結構在軌制造具有重要意義。中美兩國首次太空3D打印都采用了非金屬材料,要使太空3D打印發(fā)揮更多的作用,必須擴大其打印材料的范圍,突破各類材料的太空3D打印難題。

延伸閱讀

多材料太空3D打印

2020年4月,美國太空制造公司發(fā)表《鑄造未來:為什么多材料制造將是長期太空飛行任務的關鍵》一文。文章介紹,NASA的Artemis計劃開啟人類太空飛行的新時代,該計劃包括載人登月、登陸火星等多階段目標。深空探測迫切需要能夠減輕發(fā)射載荷的高可靠低風險技術,多材料太空制造可實現電子設備、工具、結構件等部件的制造和維修,使長時間太空飛行任務更加安全、更有保障,因此,多材料太空制造是滿足Artemis計劃等未來太空探索任務要求的關鍵技術。

近年來,歐美等國都在積極開展相關研究。2018年4月,德國首次實現零重力條件下的金屬3D打印,其技術路線是基于激光選區(qū)熔化工藝,采用氮氣作為保護氣體穩(wěn)定粉末床,確保金屬粉末顆粒聚集,該技術已經通過2次失重飛行測試。2018年5月,NASA資助研究的“火神”太空金屬制造系統(tǒng)采用機器人及增材減材復合工藝,可實現較高精度金屬部件的制造,技術成熟度達到6級。太空制造公司研制的多材料太空3D打印設備“VULCAN”可以按需調換不同的加工工具,并不斷升級,以滿足更多的需求?!癡ULCAN”可兼容30多種材料,包括高性能熱塑性復合材料、鈦、鋁和不銹鋼,可在空間站和在軌航天器有限的功率約束下制造金屬零件。

此外,生物3D打印、太空現場材料回收利用再制造也是各國的重點研究方向。2018年12月4日,俄羅斯宇航員在空間站進行活體組織打印實驗,實驗計劃獲得小鼠軟骨組織及具有血管結構的小鼠功能性甲狀腺器官構造,這是世界首次太空3D打印生物材料。2019年,NASA與太空制造公司合作開發(fā)太空制造回收裝備,可將聚合物廢料和3D打印零部件回收并制成原材料絲材,從而重新用于太空3D打印。

▲太空制造公司研制的多材料太空3D打印設備“VULCAN”

三、工藝設備對比

美國:由小型初創(chuàng)企業(yè)研制,設備已實現商業(yè)化應用

美國首次太空3D打印的設備由太空制造公司研制,該設備采用熔融沉積成型制造(Fused Deposition Modeling,FDM)工藝。太空制造公司在NASA的支持下,一直致力于太空3D打印技術研究,其技術成熟度不斷提高,2016年3月,太空制造公司首臺實用型“增材制造設備”(Additive Manufacturing Facility,AMF)在國際空間站上安裝,開始為國際空間站制造實用物品。該設備的功耗為600W(可由空間站的太陽能電池直接供電),可打印ABS工程塑料、聚碳酸酯、高密度聚乙烯等30多種聚合物材料;打印區(qū)的尺寸為140mm×100mm×100mm;X/Y方向打印精度為25~440μm,Z方向為75μm。該裝備按照國際空間站的標準貨架尺寸制造,長566.5mm、寬460.4mm、高273.2mm,重45kg,按計劃可使用至國際空間站退役(2024年)。

中國:由國家隊研制,自動化程度高

我國首次太空3D打印設備由中國空間技術研究院所屬北京衛(wèi)星制造廠有限公司研制,西安交通大學等單位參與研發(fā)。一般來說,目前連續(xù)纖維增強復合材料打印工藝分為2種,一種是將纖維和樹脂在打印噴嘴處融合并直接擠出;另一種是先將纖維和樹脂結合制成預浸帶,再利用3D打印的方式制備成型。根據央視新聞報道視頻和西安交通大學的報道綜合判斷,本次太空3D打印工藝屬于前者,是以連續(xù)干纖維束和熱塑性聚合物為原材料,采用自主研發(fā)的打印頭實現兩者的復合浸漬與熔融沉積,進而實現復合材料一體化制備與成型。

▲美國太空制造公司商業(yè)化太空3D打印設備AMF

▲北京衛(wèi)星制造廠有限公司研制的太空3D打印系統(tǒng)在地面進行試驗

評價:兩國的首次太空3D打印都是基于熔融沉積成型(FDM)工藝,FDM工藝由美國學者Scott Crump于1988年研制成功,屬于3D打印技術中較為成熟且廣泛應用的技術,其基本原理是材料在噴頭內被加熱熔化,噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動,同時將熔化的材料擠出,材料迅速凝固,并與周圍的材料凝結在一起。FDM打印設備的構造原理和操作相對簡單,維護成本低,系統(tǒng)運行安全,主要適用于小型零件成型。美國太空打印設備已經從首次的實驗設備邁入成熟化商業(yè)應用階段;我國太空打印設備首次投入太空實驗便成功完成任務,且打印全過程自動控制,因此設備的結構機構、運動控制、電源照明、攝像監(jiān)控等研制經驗將為后續(xù)太空3D打印任務提供重要的技術參考。

延伸閱讀

太空制造公司

太空制造公司成立于2010年,坐落于加州硅谷心臟地帶的埃姆斯研究中心內,由奇點大學(谷歌與NASA合作創(chuàng)辦)的幾名校友創(chuàng)建。該公司獲得了NASA的大量資助,致力于研發(fā)3D打印、裝配等太空制造技術。從2011年起,太空制造公司在微重力環(huán)境下對多項3D打印技術進行了研發(fā)和測試。公司成立以來取得了快速的發(fā)展,每年的代表性事件如下:

2011年獲得NASA“飛行機會”計劃合同,開發(fā)微重力環(huán)境下的3D打印技術。

2012年NASA授予太空制造公司小企業(yè)創(chuàng)新研究計劃(SBIR)第一階段合同,為國際空間站開發(fā)增材制造設備(AMF)。

2013年太空制造公司和NASA馬歇爾航天飛行中心合作,共同建造“Zero-G”太空3D打印實驗設備。

2014年實現首次太空3D打印。

2015年基于太空3D打印的成功經驗,研制了商業(yè)化的設備AMF。

2016年AMF在國際空間站開始商業(yè)化應用。太空制造公司再次與NASA合作,啟動“多功能太空機器人精密制造與裝配系統(tǒng)研發(fā)”(Archinaut)項目,俗稱太空建筑師。

2017年太空建筑師(Archinaut)項目成果在NASA的艾姆斯熱真空室通過可行性測試。

2018年太空建筑師(Archinaut)項目增材制造技術和機器人裝配技術通過可行性測試,使其具備進行太空飛行的資格。

2019年太空建筑師1號(Archinaut One)任務啟動。太空制造公司獲得NASA的合同,將在空間軌道上建造一個小型衛(wèi)星動力系統(tǒng)來演示驗證太空建筑師項目的技術。

四、總 結

當前,中美兩國科技競爭態(tài)勢加劇,本文通過對比中美兩國首次太空3D打印任務的打印過程、打印材料及工藝設備,試圖分析兩國相關技術差距、明確強弱項,為太空制造技術未來發(fā)展提供借鑒和參考。

(一)中美太空3D打印技術差距明顯,但我國有后發(fā)優(yōu)勢

美國太空3D打印技術起步早于我國,其熱塑性材料3D打印設備已經實現了商業(yè)化應用,截至目前,已經打印了200多個部件,并在太空中得以實際應用;多材料混合打印及太空現場回收利用3D打印技術均已取得突破。相比之下,我國剛剛起步,還處于試驗階段,技術成熟度明顯低于美國,但我國具有后發(fā)優(yōu)勢,首次打印便使用了難度較大且實際應用價值更高的連續(xù)纖維增強復合材料,對太空在軌制造具有重要意義。

(二)美國商業(yè)航天企業(yè)領軍太空制造,我國商業(yè)航天前景廣闊

近年來,美國航天發(fā)射和太空探索領域的新興商業(yè)航天公司發(fā)揮了越來越重要的作用,埃隆·馬斯克的太空探索技術(SpaceX)公司多次創(chuàng)造歷史性壯舉,成為美國商業(yè)航天公司的杰出代表。太空制造方面,在NASA的主導下,以太空制造公司為代表的初創(chuàng)企業(yè)成為技術主力,該公司在成立后的短短10年時間里,就已經成為全球太空制造技術領先者,也是NASA太空制造技術領域的主要供應商和合作伙伴,商業(yè)航天快速實現創(chuàng)新技術轉化應用的效果較為明顯。

近年來,我國的商業(yè)航天也呈現蓬勃發(fā)展之勢。2014年,國務院出臺《關于創(chuàng)新重點領域投融資機制鼓勵社會投資的指導意見》,我國商業(yè)航天逐步進入全產業(yè)鏈建設階段,發(fā)展勢頭如星星之火,方興未艾,本次太空3D打印也有我國民營航天公司的身影。據報道,新一代載人飛船試驗船還搭載了世界首個基于金屬3D打印技術的立方星部署器,該部署器由商業(yè)航天企業(yè)星眾空間(深圳)科技有限公司研制,本次飛行驗證了新型部署器的結構強度、材料性能和空間環(huán)境適應性。但與美國SpaceX公司、太空制造公司等先進企業(yè)相比,我國的商業(yè)航天還有很長的路要走,未來前景可期。

(三)美國已經系統(tǒng)布局太空制造,大國競爭或將交鋒于此

受美國空軍和NASA的委托,美國國家研究委員會曾專題研究并發(fā)布了《太空3D打印》報告,指出太空3D打印技術的8個應用方向:為載人航天器在軌制造替換零件;材料在軌循環(huán)利用;為機器人航天器在軌制造替換零件;在軌制造地面難以制造或發(fā)射的部件;在軌制造分系統(tǒng);建立在軌制造實驗室;在軌制造整個航天器;利用其他行星表面資源建造基地。為加速形成未來在太空按需制造、自主裝配、服務保障、重構重用等能力,NASA、美國國防部高級研究計劃局(DARPA)等機構近年來密集推進太空3D打印、在軌裝配等技術研究,通過Artemis等載人航天計劃牽引技術驗證應用,完成太空制造系統(tǒng)布局工作,積極搶占航天技術創(chuàng)新戰(zhàn)略制高點。

隨著我國太空3D打印順利起跑,航天領軍企業(yè)的制度優(yōu)勢不斷激發(fā),商業(yè)航天企業(yè)迅速成長,航天供應鏈不斷完善,可以預見我國太空制造技術將快速崛起。隨著大國博弈態(tài)勢加劇,太空制造或將成為中美兩國航天競爭的重要著力點。

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