3D打印通常是采用數字技術材料打印機來實現的。常在模具制造、工業設計等領域被用于制造模型,后逐漸用于一些產品的直接制造,已經有使用這種技術打印而成的零部件。該技術在珠寶、鞋類、工業設計、建筑、工程和施工(AEC)、汽車,航空航天、牙科和醫療產業、教育、地理信息系統、土木工程、槍支以及其他領域都有所應用。
近日,國際空間站上的一名俄羅斯宇航員,嘗試在太空微重力環境下進行了人體組織的3D
打印。
其借助了俄羅斯研究人員制造的一套磁懸浮裝置,能夠從一些分離的細胞中制造出人類的軟骨。這項成功的實驗,意味著在無支架和無毒釓離子水平的環境下制造3D打印人體組織研究方面又向前踏出了一步。
在太空中開展3D打印實驗項目,近年已經成為各國共識。基于3D打印廣闊的應用空間和多元化商用價值,美國、俄羅斯等一些國家已經在3D打印技術、3D打印新型材料、3D打印核心裝備等方面展開布局,力求在新一輪國際市場科技、經貿競爭中獲得更大的話語權和更強的競爭力。
放松對于5G、3D打印等技術方面的布局力度,很有可能導致一個國家在相關領域發展方面受制于人。尤其是近兩年,各國在前沿科技布局方面的力度明顯加強。就我國而言,眼下已經將推動3D打印技術研發及產業應用放在了顯著位置,一系列3D打印科研項目也如火如的進行著。
2020年5月5日,長征五號B遙一運載火箭在海南文昌航天發射場將我國新一代載人飛船試驗船成功送入預定軌道。在新一代載人飛船試驗船上搭載的“復合材料空間3D打印系統”,在軌飛行期間完成了我國首次太空3D打印試驗,這對于我國的3D打印產業來說,具有重要的里程碑意義。我國首次太空3D打印試驗的成功完成,一方面表明我國在3D打印技術攻關方面已經取得了一定的成績,另一方面也表明3D打印在太空的應用,是存在多元化可能性的。
長久以來,太空都是人類夢想著到達和征服的地方。搭乘宇宙飛船去太空進行兒科學考察,也從一定程度上反映著人類想要接近、登上太空的信念和決心。而漫漫的太空之路,并不是一帆風順的,而是充滿艱辛和重重挑戰。
在人類探索太空過程中,技術、設備、材料的“補給線問題”一直阻礙著人們飛向更遠的空間。隨著太空3D打印技術的快速發展,實現航天器零部件的“自給自足”正在成為可能。有了3D打印技術,一些以前看似無法解決的問題也找到了解決的新途徑。
3D打印在航天領域的應用優勢,主要集中在兩大方面:其一,為載人航天器在軌制造替換零件提供堅實的技術支撐,拓展航天器的壽命,節約重復發射的成本;其二,材料的太空再循環利用。有了3D打印技術和設備作支撐,制作人員可以根據實際需求調整所需部件的尺寸、大小和形狀,甚至直接捕獲太空垃圾制造零件,在節約成本的同時還很綠色環保。
有專家指出,當前太空3D打印的重點,主要集中于測試在微重力、失重等環境下,3D打印設備的可操作性和材料的質量問題。通過將之前對在軌打印樣件和地面打印樣件進行對比分析,開展各項性能測試,考察微重力環境對復合材料性能的影響,有助于科研人員進一步全面、綜合評估太空3D打印的成型質量,從而對材料的性能等進行優化、改進。
從目前的3D打印材料體系來看,連續纖維增強復合材料優勢明顯,其應用價值已獲得業內人士認可。總體來看,連續纖維增強復合材料具有密度低、強度高的特點,是當前國內外航天器結構的主要材料。而隨著技術的快速進步與打印系統的逐步優化,未來利用3D打印實現在軌制造需要的零部件也大有可能。
要想在太空中進行3D打印,系統及設備能夠實現自主控制、無人干預是非常重要的。而要想實現無人干預和操控,除了相關材料研發要加快推進外,北斗導航系統、GPS定位、地對空一體化追蹤技術、物聯網智能傳感等技術攻關顯得尤其重要。而相信隨著各類技術的進步與成熟,人類將有機會了解更加真實、全面、神秘的太空。
當然,3D打印技術也存在一些缺陷:打印機造價昂貴,運行和維修的費用也很高,而且對成型的物體材料要求也很高。軟件的操作難度大,3D軟件處理的數據量也很大。不能做到大規模批量生產,在一些方面難以替代傳統的打印技術,但是3D打印技術的發展前景難以想象,在未來必定成為新時代的標桿之一。