不是主角，但不可或缺：3D打印在NASA阿爾忒彌斯2號中的真實(shí)角色

4月2日，美國宇航局從肯尼迪航天中心成功發(fā)射阿爾忒彌斯二號飛船，時(shí)隔半個(gè)世紀(jì)，美國在此執(zhí)行載人繞月任務(wù)。

這次任務(wù)被NASA認(rèn)為是一個(gè)重要的里程碑，它標(biāo)志著阿爾忒彌斯計(jì)劃的首次載人飛行，也是其重返月球計(jì)劃的關(guān)鍵一步。值得關(guān)注的是，阿爾忒彌斯2號任務(wù)還顯示出3D打印技術(shù)如何融入此類任務(wù)的過程。在未來幾年，了解如何維持這些任務(wù)的運(yùn)行至關(guān)重要。

載人繞月任務(wù)及3D打印技術(shù)的應(yīng)用

“阿爾忒彌斯二號”并非登月任務(wù)，而是一次載人全系統(tǒng)測試。與“阿波羅8號”類似，宇航員將繞月飛行并返回地球，驗(yàn)證飛船、生命維持系統(tǒng)和整體任務(wù)架構(gòu)。此次任務(wù)預(yù)計(jì)持續(xù)約10天，宇航員返回地球后將濺落在太平洋。

如果“阿爾忒彌斯二號”任務(wù)按計(jì)劃進(jìn)行，它將為未來載人登月并建立長期駐留基地的任務(wù)鋪平道路。這不僅僅是重返月球，而是要長期駐留。

阿爾忒彌斯計(jì)劃規(guī)模龐大，但增材制造技術(shù)并未得到廣泛應(yīng)用，這也在意料之中。在航空航天領(lǐng)域，認(rèn)證、可靠性和長期驗(yàn)證至關(guān)重要，因此新技術(shù)的采用需要格外謹(jǐn)慎。正因如此，3D打印技術(shù)被應(yīng)用于特定領(lǐng)域，并展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。在NASA及其承包商中，該技術(shù)已應(yīng)用于以下三個(gè)主要領(lǐng)域：

1. 航天器（獵戶座）

搭載宇航員的獵戶座飛船也包含3D打印部件。獵戶座飛船的主承包商利用增材制造技術(shù)生產(chǎn)了飛船多處的零件，例如支架、電纜導(dǎo)軌、環(huán)境控制系統(tǒng)組件和外殼。其中許多零件采用激光金屬3D打印工藝制造，因此可以一次性完成，無需組裝。

這些部件很重要，它們有助于減輕重量、簡化制造工藝，并在性能至關(guān)重要的領(lǐng)域提高可靠性。

2. 工裝、測試和地面系統(tǒng)

在阿爾忒彌斯計(jì)劃中，增材制造技術(shù)的應(yīng)用很大一部分都發(fā)生在幕后。美國宇航局（NASA）的各個(gè)中心，例如馬歇爾太空飛行中心和肯尼迪航天中心，以及承包商都依賴3D打印技術(shù)來制造工裝、進(jìn)行測試和地面作業(yè)。

這包括用于驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)和航天器部件的定制測試夾具和工裝，以及用于支持生產(chǎn)和集成的快速原型、裝配輔助工具和其他制造工具。許多此類部件都采用熔融沉積成型（FDM）等聚合物基工藝制造，使團(tuán)隊(duì)能夠快速地設(shè)計(jì)、打印和測試部件。

雖然這些部件本身并不用于飛行，但它們在阿爾忒彌斯計(jì)劃中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，幫助工程師更快地迭代、降低成本并在開發(fā)早期解決問題。

3. 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件（SLS）

3D打印技術(shù)在太空領(lǐng)域最重要的應(yīng)用之一是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，盡管它們在本次任務(wù)中并非最引人注目。美國宇航局的重型運(yùn)載火箭——太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）——使用的是最初為航天飛機(jī)開發(fā)的RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)。

NASA及其合作伙伴在過去幾年中一直在RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)中引入3D打印部件，包括用于減少振動(dòng)的彈簧蓄能器系統(tǒng)部件，以及某些閥門和內(nèi)部組件。預(yù)計(jì)在未來阿爾忒彌斯計(jì)劃的新版本發(fā)動(dòng)機(jī)中，增材制造技術(shù)將占據(jù)更大的比例。

這正是3D打印技術(shù)可能發(fā)揮最大作用的領(lǐng)域之一。火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是航空航天領(lǐng)域最復(fù)雜的系統(tǒng)之一，需要在極端條件下運(yùn)行。即使是微小的改進(jìn)也至關(guān)重要。增材制造技術(shù)能夠簡化設(shè)計(jì)、減少零件數(shù)量，并制造出使用傳統(tǒng)方法難以甚至無法實(shí)現(xiàn)的內(nèi)部通道。

3D打印目前還無法實(shí)現(xiàn)的功能

阿爾忒彌斯二號也展現(xiàn)了增材制造技術(shù)目前的應(yīng)用場景。但它并沒有打印整枚火箭或大型飛行結(jié)構(gòu)。其核心系統(tǒng)仍然采用經(jīng)過數(shù)十年驗(yàn)證的傳統(tǒng)方法制造。

3D打印技術(shù)的應(yīng)用是選擇性的。它應(yīng)用于能夠創(chuàng)造價(jià)值的領(lǐng)域，例如復(fù)雜零件、輕量化結(jié)構(gòu)和快速迭代，而不是完全取代傳統(tǒng)制造方式。

這與增材制造研究（AMR）近期的分析結(jié)果相符，行業(yè)增長越來越依賴于特定應(yīng)用，而非整個(gè)系統(tǒng)的廣泛采用。這種差異至關(guān)重要，尤其是在人們常常誤以為3D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍比實(shí)際情況更廣的情況下。

Relativity Space使用3D打印機(jī)打印高大的燃料箱

3D打印在長期任務(wù)中將發(fā)揮重大作用

3D打印技術(shù)在阿爾忒彌斯計(jì)劃中的真正影響不僅僅體現(xiàn)在這次發(fā)射上，更在于其后續(xù)發(fā)展。未來的任務(wù)旨在建立人類在月球上的長期存在，這將徹底改變問題的性質(zhì)。

在地球上，制造業(yè)依賴于供應(yīng)鏈，原材料和零部件在全球網(wǎng)絡(luò)中流通。但在月球上，這種模式行不通。運(yùn)輸耗時(shí)過長，有效載荷能力有限，而且每一公斤都價(jià)格昂貴。在這種環(huán)境下，制造業(yè)必須更靠近需求地進(jìn)行生產(chǎn)。

在很多項(xiàng)目中，科學(xué)家們正在研究如何利用激光在月球上用月壤進(jìn)行3D打印結(jié)構(gòu)。3D打印技術(shù)參考注意到，我國也研究了“月球打磚機(jī)”。

基本上，如果零件無法輕松運(yùn)輸，就只能就地制造。這正是3D打印真正發(fā)揮作用的地方。任務(wù)無需運(yùn)送實(shí)體部件，而是可以攜帶數(shù)字文件，按需生產(chǎn)零件，無論是工具、替換零件，還是更復(fù)雜的設(shè)備，例如醫(yī)療應(yīng)用。

未來，3D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍遠(yuǎn)不止于制造小型部件。全球航天大國的研究團(tuán)隊(duì)都在探索如何利用月球風(fēng)化層作為材料進(jìn)行原位3D打印，目標(biāo)是利用現(xiàn)有的資源來建造所需的各種設(shè)施，包如著陸平臺、防護(hù)結(jié)構(gòu)、居住艙等等，從而減少從地球運(yùn)輸物資的需求。

注：本文由3D打印技術(shù)參考創(chuàng)作，未經(jīng)聯(lián)系授權(quán)，謝絕轉(zhuǎn)載。

歡迎轉(zhuǎn)發(fā)

1.

2.

3.

4.