悉尼大學和中國科學技術大學的工程師設計了一種能夠在模擬空間條件下在高溫下處理PEEK材料的3D打印機。

據該團隊稱，使用熔融沉積成型(FDM)3D打印，可以在軌生產PEEK衛(wèi)星備件，但空間中發(fā)生的熱傳遞不足會導致當前系統過熱。為了克服這個問題，研究人員開發(fā)了一種帶有比例積分 (PI) 控制器的新型3D打印機，能夠在高達400°C的真空中運行，這可能使其成為未來在軌維修任務的理想選擇。

研究人員提出的軌道3D打印系統示意圖
圖片來源：《空間研究進展》雜志

衛(wèi)星維修難題？

目前在地球軌道上有約2,500顆衛(wèi)星。除了通訊衛(wèi)星，一部分衛(wèi)星對于引導太空任務也至關重要，因此它們的失效有可能使航天器偏離軌道，并產生可能損壞航天器的碎片。

從理論上講，通過“在軌制造”對其進行維修，可以防止衛(wèi)星出現故障。研究人員認為這種方法比將裝有維修裝置的火箭發(fā)射到軌道上的成本更低。

然而，中國和澳大利亞的研究人員表示，到 2030年，在軌制造的成本預計仍將飆升至62 億美元。為了幫助航空航天公司減少在這方面的支出，該團隊因此強調了3D打印實驗在國際空間站上的成功，并建議該技術可以部署在外層空間以及載人航天器上。

特別是，工程師們認為FDM機器可能是進行在軌制造的理想選擇，因為它們沒有激光器，依賴于易于儲存的絲材以及與PEEK等堅固材料。然而，盡管他們對該技術持樂觀態(tài)度，但該團隊承認，由于過度熔化的絲材，當前的系統很容易受到材料堵塞的影響。

該團隊軌道3D打印機（如圖）的中心管旨在防止高溫堵塞
圖片來源：《空間研究進展》雜志

在真空中打印

為了使在軌3D打印更加可行，研究人員著手開發(fā)一種3D打印系統，該系統具有升級的熱控制單元，可以降落在衛(wèi)星上，然后使用機械臂更換損壞的部件。除了機械臂和起落架，該團隊的第一個原型是標準FDM打印機的的基本結構，配有加熱棒、塊、水槽、帶子、擠出機和散熱器。

作為評估機器潛力的一種方式，該團隊選擇進行一些PEEK打印模擬。有趣的是，結果表明，增加設備的散熱器和散熱器之間的帶子數量能夠更有效地控制其中心管的溫度，同時防止在進料過程中熔化的絲材回流。

通過模擬，工程師們還發(fā)現，在降低重力的情況下打印會導致材料自身附著在系統的內管上，增加摩擦并可能造成堵塞。為了解決這個問題，該團隊反復修改了這一部分，然后提出了一種設計，用于提高其熱傳導效率，使其能夠在高達 400°C的熱量下運行。

最后，研究人員設計了一個數學模型，該模型證明了引入“模糊PI控制模塊”將為他們的系統帶來的好處。該設備本質上是作為故障保護裝置，在溫度達到380°C時會自動啟動以防止過熱和修復錯誤。

下一步，工程師們將在物理真空室中進行測試。將來，如果他們的打印機要找到最終用途的應用程序，該團隊相信他們無需通過額外發(fā)射衛(wèi)星進行維修來幫助“降低太空探索的成本和時間”。

Redwire現在已經在國際空間站上安裝了幾臺3D打印設備，包括其Regolith Print
照片來源：Redwire

增材制造在軌應用   

太空中的3D打印聽起來像是科幻小說領域的東西，但該技術之前已經在美國宇航局的國際空間站 (ISS) 上進行了行星外測試。該領域的領先者之一是Made In Space，它現在是Redwire的子公司，該公司去年在軌道基地上安裝了一個新的陶瓷3D打印模塊。

該公司的技術也將安裝在Blue Origin和Sierra Space即將推出的商業(yè)“軌道礁”空間站上。新基地定于2026年發(fā)射，預計將作為“混合用途商業(yè)園區(qū)”，同時進行“太空制造”的持續(xù)微重力研發(fā)和實驗生產測試。

與此同時，在慕尼黑應用科學大學，研究人員采用了與澳大利亞-中國團隊類似的方法，并開發(fā)了一種軌道衛(wèi)星3D打印機。該系統旨在減少將維修設備發(fā)射到太空的需要，未來可以在零重力條件下構建整個太陽能電池板或天線相關部件。

研究人員的研究結果在題為“在軌3D打印平臺的擠壓和熱控制設計”的論文中有詳細介紹，該論文由Jianning Tang、Trevor Hocksun Kwan 和 Xiaofeng Wu合著。