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【mpa论文】浅论3D打印技术在太空的应用(论文参考文献)

星级: ★★★★ 期刊: 《太空探索》作者:张天驰浏览量:2967 论文级别:经典本章主题:技术和太空原创论文: 5156论文网更新时间:12-24审核稿件编辑:Buck本文版权归属:www.5156chinese.cn 分享次数:3033 评论次数: 1171

导读:3D打印技术在太空的应用是一篇相关技术和太空的论文范文材料,免费分享阅读下载是对毕业生写作论文有着参考意义。

张天驰

2016年3月26日,北京时间18时51分,“天鹅座”货运飞船与国际空间站完成了对接.在这艘飞船上,运载有美国研制的第二台空间3D打印机.自此,国际空间站上已经拥有了三台3D打印设备.科学家们将利用这些设备,实现空间制造,探寻解决人类在太空中长久生活的难题.

3D打印技术,不仅可以大幅度减少成本、节约时间,更能制造出满足设计人员需要的几乎任意形状的产品,与航天制造要求不谋而合,得到了全世界各航天大国的重视.近年,美、欧、日等国家或组织都在积极探索3D打印技术在航天领域的研究与应用.调查显示,其在航空航天工业领域的应用份额已占全部应用领域的10%以上.如今,航天领域对3D打印技术已不满足于地面的生产制造,随着第一件太空3D打印零件的诞生,人类又遇到了一个新的课题:如何在太空中制造所需的产品.

3D打印走向太空

2014年11月24日,国际空间站的航天员们利用3D打印技术,制造出第一把“太空工具”——扳手.3D打印的压制材质选用熔点较低的塑胶,为了避免功能异常带来的人员伤害,全程在手套箱中试验.部件尺寸为7。6厘米×3。8厘米×0。6厘米,印着“太空制造/NASA”字样的铭牌,打印工作用时1个小时.至此,人类迈出了3D打印技术在空间环境中应用的第一步.

换品用完了,那么航天员们只能等待几周或数月后运送物资的货运飞船运来缺少的零部件.这样一来,不仅会对相应的科学研究计划带来严重影响,甚至会危及航天员的生命安全.如果空间站具备了自主3D打印零件的能力,从地球向太空运送工具与零件的次数将会大大减少,空间站的自给自足可能成为现实.甚至可以预见,随着技术的进步,在解决一系列难题后,3D打印将可以直接在太空中制造航天器.

对于月球基地来说,替用零部件的运输成本更高、周期更长、难度更大,基地对物资的自主生产能力要求更高,由此可见,3D打印技术在月球基地会有更广阔的应用前景.不只局限于工具及零件的生产,随着技术的发展,3D打印技术更可以直接参与到基地的建设.

至于更遥远的深空探测,仪器发生故障需要维修时,从地球发射替换件将十分困难,使用3D打印技术可以完美地解决这一问题;同样,因为有了空间3D打印技术,许多物品无需在发射时就准备好,只需备好材料和图纸,必要的时候就能打印出来.可以预见,空间3D打印的成功实现甚至将成为深空探测的必备条件.

出于对3D打印技术的广泛看好,欧美等国家正积极参与到空间3D打印技术的研发与应用之中.2015年12月6日,第一台来自欧洲的3D打印机“POP3D”由天鹅座飞船送往国际空间站.201 6年3月26日,美国运送第二台3D打印设备的飞船也已完成了与空间站的交会对接.与第一台相比,这台3D打印机体积是前者的两倍,将能制造更大尺寸的设备.

空间3D打印的优势

1.从设计到制造的快捷性

以NASA的太空扳手为例,该部件从地面设计人员开始设计到使用3D打印机制造只用了不到2周的时间,实际生产的过程仅仅用时4小时.可以说,对于成熟的器件,空间站中从无到有的生产耗时仅仅与该部件的大小有关,其便捷程度远超现在的物资运输方式——运载火箭.

2.成本低

太空中进行3D打印的成本优势体现在两个方面.首先是制造工艺上的优越性,3D打印的产品对后续机加工等工艺的要求极低,自动化程度高,速度快,进而使制造成本降低.研究表明,从生产制造的角度把3D打印与传统制造业相比,3D打印有望节省人力资源75%~85%,减少工艺装备70%以上,降低50%~70%传统航材的消耗和能源消耗.

3.减轻零部件质量

航天器的质量是航天领域的核心问题,所有结构机构的设计都要把减重放在前位.在地面制造零部件时,考虑到搭载火箭发射升空所要承受的过载与振动,结构与机构必须保证必要的强度和刚度、稳定性等力学性能,这就不可避免地使零部件的质量增大.选择在空间站中直接生产零部件,便无需考虑这种问题,这样一来,零部件的设计便可得到很大的简化,继而达到减重的目标.

4.可用于生产复杂的结构系统

对于复杂的大型结构系统,地面生产主要面临两方面难题:一是制造困难,现有的加工工艺很难达到发射升空的各项要求;其次是运载火箭的限制,包括火箭的运载能力的限制以及整流罩的容积对有效载荷的限制.通过在空间站中使用3D打印技术,火箭整流罩容积与有效载荷规模与形状的矛盾将有效缓解,为超大、超长尺寸物体的运载难题提供了解决方案.

美国Tethers Unlimited公司开发了一个叫做“SpiderFab”的空间制造系统,这种机器人可以在地球轨道或者更远的地方建造空间设施.SpiderFab机器人概念的核心是一个多机械臂的机器人,用一个“喷丝头”制造结构单元,然后再把这些结构单元一个一个连接起来.Tethers Unlimited公司CEO和首席科学家Rob Hovt表示.SpiderFab机器人在未来可以帮助人们建造巨大的无线电天线和太阳能电池阵,这项技术将会非常有前景.

5.可以将实验人员的新设计在空间环境中快速应用

对于一些并不重要,但可以给航天员的日常生活、科学实验带来便利的小零件来说,或许并不能在运载火箭的优先级上获得较高的顺位,导致它们或许并不会那么快地投入应用,这样一来,3D打印技术就可以相当方便的解决这一问题.

美国一家名为“CosmicLifestyle”公司研发的可以在零重力下使用的酒杯.这个酒杯利用了液体在零(微)重力情况下的表面张力特性,表面张力越大,液体就越容易保持成一个整体,而不会散开.给液体足够的接触面,并在酒杯中加入几道细槽,这样液体就能实现向一个方向流动.只要把酒杯放到唇边,轻轻一吸,就能在太空享受美味的鸡尾酒.可是送一只杯子进入太空需要近30万美金.出于成本等因素考虑,将类似的产品送人太空有很大难度,3D打印技术制造可以很便利地解决问题,且制作一个杯子仅需要耗时15个小时.

6.原材料可以取自太空

高真空环境中,金属材料几乎不存在氧化,3D打印技术为已经报废的零部件再利用提供了可能.将失效件重新制成原材料,再由3D打印设备实现再生产,这就形成了一种理想的材料循环再利用技术.如此,结合水资源再生技术、氧气再生技术、材料再利用技术,人类在空间环境下的长久生存将r不再是问题.

在月球环境下,就地取材的生产模式将成为3D打印技术的优势,欧空局在2013年开始筹备

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使用3D打印技术在月球表面打造一个基地.2014年,欧空局同建筑公司Foster+Partners合作发布了一段概念视频,展示了如何使用3D打印技术完成月球基地的建设.

空间3D打印存在的困难

3D打印在空间应用中具有巨大潜力,但现阶段3D打印应用仍存在相当的困难.

1.太空环境的影响

与地面不同,太空环境下将面临微重力、真空环境、热环境、基础设施建设、稳定的制造平台,还有电力系统等一系列的挑战.除了设备必须体积小、质量轻,可在太空环境下正常工作外,采用的工艺和材料也必须克服太空环境的复杂性.

2.金属材料3D打印的难度

尽管高分子材料、复合材料在航天领域的应用越来越广,金属因在强度、刚度、导电性、使用温度、抗老化等方面的一系列优异性能决定了它不可替代的地位.如何在太空环境中制造金属件是空间3D打印必须要解决的问题.航天金属材料的3D打印技术,即以SLM为代表技术在地面环境的应用已经比较成熟.然而,现阶段金属3D打印使用的原材料是金属粉末,这也导致了在微重力环境下的3D打印存在诸多困难.例如固态金属粉末会漂浮在空中,熔化后并不能很好地附着在打印结构件表面,会严重影响其性能.粉末在空间环境中的贮存也是问题,如果发生泄露会对环境造成严重的污染.金属3D打印设备较树脂设备更为复杂,对电路系统的设计,传热系统的设计等都提出了更高的要求.现阶段在国际空间站中使用的

3D打印技术在太空的应用
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3D打印机也是使用了FDM技术的树脂材料设备,金属材料在空间中的3D打印仍是技术难题.

3.空间3D打印材料的可获得性

对废弃部件进行处理得到打印原材料,地外星球3D打印材料的生产是未来3D打印技术的研究方向.毕竟,通过运载火箭发射原材料对成本和时间的节约仍是有限的.如果解决了3D打印材料的再生问题,无疑会对深空探测带来极大的帮助.

据美航宇局的数据,在近地球轨道有2。1万块大小如葡萄柚或更大的残骸,如果加上大小如

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弹丸和尘埃颗粒的碎片,数量将增至50万块.这些太空垃圾的存在会对飞行器的发射造成严重的威胁,同时它们又被视作可利用的资源.许多国家已经开展计划捕捉、清理这些太空垃圾,如日本宇宙探索局现在已经联手生产渔具的公司日东制网株式会社,准备打造一张巨大的“磁网”,用来“打捞”太空垃圾;瑞士洛桑联邦理工学院太空中心希望在2018年从一架空客A300顶端发射一艘清洁船,然后用一个机械爪回收一颗旧卫星.虽然计划中的太空垃圾处理计划基本是坠入大气层焚毁,但这种技术在将来未必不可成为空间站中3D打印原材料的获取方式,起到一举多得的作用.

对于月球基地,月面原位资源利用技术是人类长久生存所必须的,3D打印技术若能与之结合,可以减少运输成本,降低月球基地建造成本,以及减少月球

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基地建造过程中人力的参与.美国、俄罗斯、欧洲、日本等国家均已提出了使用3D打印技术建设月球基地的构想.

4.空间3D打印实验研发的复杂性

为了实现在空间站的3D打印,2011年7-9月,“太空制造”公司针对3类不同的3D打印机及多个独立的组件,完成了3次飞行试验,进行了超过400次微重力抛物线飞行测试,为后续研制“国际空间站”用3D打印机和应用3D打印技术奠定了基础.

实际上,目前仅有美国实现了太空环境中进行3D打印,而单纯的理论研究很难发现并解决空间3D打印的全部问题.为了研发空间3D打印设备,地面的模拟分析、无重力实验、空间站实验等需求使得空间3D打印技术有相当高的研发难度与成本.

使用3D打印技术直接在太空中制造,相较于地面生产的传统工艺,具有显著的节约时间、减少成本等优势,具有十分光明的前景.实现空间3D打印,为解决航天器的成本问题提供了新的思路,是人类走出地球、迈向深空的必备条件,更是实现技术革命、提升国家核心竞争力的体现.美国、俄罗斯、欧洲、日本等主要国家和地区都已经着手研究空间3D打印技术;《中国制造2025》提出,推动三维(3D)打印、移动互联网、云计算、大数据等领域取得新突破.在所有行业领域中,3D打印被放在了第一个关注的要点.这表明3D打印技术已经正式上升为国家战略.

将异想天开变成现实,这就是3D打印技术的魅力所在.未来的航天业,就地取材的生产模式将成为其主要方式,就如Deep SpaceIndustries公司CEO David Gump所说:“每年都会有大约九百颗近地小行星被发现,简直就像上个世纪明尼苏达的铁矿为底特律的汽车工厂提供原材料一样.地球工厂已经实现了,本世纪,我们的目标就应该是:将生产空间扩展至太空中去.”

[ 参考文献 ]

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