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中国太空3D打印的样件回来了,看这成品可还行?

科学辟谣 2020-05-15

  空间站少零件了怎么办?3D打印就完了。

  

  中国首次太空3D打印的两个样件 | 中国空间技术研究院

  作者 | 杨怀超 张昊

  5月5日,长征五号B火箭将中国新一代载人飞船试验船送上太空。在经历了三天的太空遨游后,5月8日,返回舱成功返回东风着陆场。除了搭载的一台中国自主研制的“复合材料空间3D打印机”,还带回了在轨打印的两个样件。

  这是全球首次实现连续碳纤维增强复合材料的太空3D打印,引起一大波关注。

  

  在轨3D打印进行中,来源:央视新闻

  最近十几年,3D打印遍地开花,很多人都说它会掀起“第四次工业革命”。这么厉害的技术,到底是什么样的?这个名字很长的材料是什么?为什么一定要跑到太空中做试验呢?

  专为“复杂结构”而生的3D打印技术

  先说技术。3D打印本质上是一种逐层制造技术,又称增材制造技术,字面意思,就是制造过程中材料是往上加的。与之对应的是传统的减材制造技术,如车、铣、刨、磨等,材料是往下减的。

  相比传统技术,3D打印能够轻而易举地制造一些具有复杂结构的模型,可极大扩展设计师的思路。比如下面这对棋子,国际象棋的王和后。左边棋子外形相对简单,用减材制造方式、拿两根圆柱用车床沿着外轮廓划一圈,就完成了。但如果这对棋子设计得更复杂一些,变成右图的样子,传统方法就比较困难了,即便能做出来,造价也非常高昂。

  

  普通棋子(左)和3D打印棋子(右) | 作者供图

  但如果采用3D打印方式,就没有那么贵了。至少能把费用控制在可接受的范围内。这是为什么呢?

  技术原理决定成本范围

  3D打印技术不是一种技术,而是一类技术。其历史可追溯到1960s,最早的商业化设备则由美国人Charles W. Hull 在1987年前后推出,称作 SLA-1,即立体光刻。其工序可代表整个3D打印技术的基本思路。

  光刻是利用材料的感光特性,通过光照改变其物理/化学性质,将被光照和未被光照的部分分开,以达到成型效果。比如,某种材料被光照之后会变得易溶,只要把想要的部分遮住,再曝光,就可以把多余的部分洗掉。

  立体光刻也是基于类似的原理,不过它是将制品的数字模型分割成很多薄层,然后从最底层开始,一层一层地加工出来,最后形成一个立体制品。

  具体而言,打印设备会包含一个液体槽,里面有一种特殊液体。这种液体受到紫外线激光照射会变成固体,而没有被照射到的地方仍然保持液体状态。打印的时候,紫外线激光会按照薄层的形状进行涂抹,液体同时完成凝固。一层打印完之后,打印平台(激光照射)上升,接着固化下一层,直到所有薄层全部完成。

  

  用SLA打印的模型,表面光滑细腻,上色后质感绝佳,几乎可以以假乱真。|作者供图

  这是最早的商业化技术。其他技术也都使用类似的思路。比如,和立体光刻几乎同时发展起来的熔融沉积成型(FDM)技术和选择性激光烧结(SLS)技术。

  这次飞行任务采用的就是熔融沉积成型技术。我们来看它的技术实现原理,和立体光刻可以说有异曲同工之妙。

  熔融沉积成型技术是目前最常见的一种3D打印技术,看名字就知道是把某种材料加热融化,然后一点点堆起来,固化成型。

  常用的熔融沉积原材料以热塑性的高分子丝材(即加工成丝状的材料)为主,这样比较方便加热。一般选用玻璃化转变温度较低(可以理解为融化温度较低)的材料,比如聚乳酸、ABS树脂等。目前也发展到复合材料、金属材料和陶瓷材料等。

  熔融沉积成型技术在进行3D打印时,位于“打印头”的丝材会被炙热的喷嘴加热软化,然后喷出去,附着在较冷的平面,快速冷却定型。喷嘴全程受计算机控制,沿着设定好的路线一步步移动,留下凝固的丝材。整个过程也是分层完成的,印完一层,工作台便下降再印一层,直到形成一个实体模型。

  

  FDM成型过程 | 作者供图

  容易看出,无论是立体光刻,还是熔融沉积成型,它们对模型的“复杂度”都是不挑的。因为,无论模型简单或复杂,工序其实都差不多。这也决定了3D打印在制作简单物件,不会太便宜,但打印复杂物件时,价格也不会提升太多。

  多种技术强化材料性能

  由于3D打印对材料的一些性质,例如热塑或光敏性有要求,所以在其他方面会有所取舍,也因此产生了一些材料强化技术。比如,使用纤维增强的方式对熔融沉积成型的树脂基材进行强化,令打印出来的部件结构强度更高。

  这种技术将玻璃纤维或者碳纤维混入丝材原料,就好像在水泥中布置了钢筋。经过强化之后的部件,部分力学性能可媲美铝合金,而重量却只有铝合金的一半,可用于多种太空场景。

  本次太空3D打印使用的连续碳纤维增强复合材料,就是这样一种强化材料。它不仅本身重量很轻,因为3D打印在结构设计上自由度很高(比如打印成蜂窝结构),也为减重和轻量化提供了进一步的可能。

  

  本次在轨3D打印的两个样件,一个是蜂窝结构(代表航天器轻量化结构),另一个是CASC(中国航天科技集团有限公司)标志 | 中国空间技术研究院

  让航天任务更灵活、更轻便

  了解了3D打印的特征,其在航空航天领域的应用前景就不言而喻了。在航空航天领域,零部件在追求轻质和减重方向上可以说是斤斤计较,甚至是“克克必争”。在保证设计强度的条件下,零部件每减少1千克重量,取得的经济效益就可能高达几十万元。

  但它的优势绝不止于于轻,而是综合了省时、省力、省物料。3D打印超高的制造自由度,让它成为航天领域的大热门,一台打印机加一些原材料,就可以让航天员实现很多梦想。

  比如,在未来的太空任务中,一旦发生空间站某些器件需要替换的情况,航天员们就可以使用3D打印技术,第一时间得到新的替换件。执飞任务时,也无需从地面携带大量备用品上天,只要把3D打印机和所需的打印材料带上即可。

  3D打印所需的图纸模型,可以提前储存在船载电脑中,如有新部件或者新改型的需要,也可以由地面直接传送新设计。假若在火星或者月球上建立了太空据点,可以把全套3D打印装备都运过去,直接在太空中成立物资生产基地。

  不用天上地下的来回“送快递”,也不用苦等“收快递”,太空任务方便了不止一点点,节约的发射成本更是不可估量。

  

  3D打印可为未来航天任务提供极大便利 | instagram

  从太空试验,走向太空实践

  不过,以上只是一种想象,回到现实中,太空3D打印可比在地球上难得多了。一个最紧要的影响因素,就是重力。

  在地球重力环境下,3D打印过程中使用的熔化树脂(或其他浆料)可以很自然地沉积成型,可是太空中却缺乏这样的环境。如何保证材料乖乖堆砌,而不要“放飞自我”呢?

  这就需要精确地控制好材料在喷头熔融时的粘度,以及喷出后的固化速率。只有适宜的粘度才能保证材料既能顺利喷出,又不至于像水滴一样飞散。而合适的固化速率能保证材料牢固地附着于基材,并实现层层堆砌。

  从这次太空试验的结果来看,我国科学家很好地突破了这一难关。他们一定经历了很多实践,才最终选定了所用树脂的添加剂,并找到了合适配比,同时解决了该技术的一系列其他问题。

  3D打印技术是美、俄、欧等航天大户都在钻研的技术,这次在轨试验成功,充分彰显了我国在该领域的实力。希望这项技术能早日用于我国的航天实践,在空间站、探月、探火任务中大放异彩。

责任编辑:王超

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