<回放>太空中的3D打印

3D打印机（样图）

2014年，由美国空间制造公司研制的一台3D打印机将抵达国际空间站，这台3D打印机将交付空间站上的航天员使用，这将是人类首次在地球之外打印制造工具或者仪器零部件。目前，该公司与NASA马歇尔太空飞行中心已经进行了400多次失重飞机试验——3D打印零重力实验(简称3D打印实验)，他们将开启太空制造能力，帮助人类在太阳系其它星球建立基地。该公司CEO亚伦·科梅尔说：“3D打印实验是NASA未来重点研究项目之一，3D打印零部件和工具将增强太空任务的可靠性和安全性，同时可以降低生产制造成本。首台3D打印机将制造一些测试样件，之后再用于制造大量零部件，以及工具和科学装置。”同时，空间制造公司正在研制一种叫做“递增生产设备”的永久性太空打印装置，预计2016年将交付国际空间站使用，这种技术还能用来制造工具等物品。那么，什么是3D打印技术？如今，它又有哪些应用？

解读3D打印技术

3D打印，又称三维打印，快速成形技术的一种，它是运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过一层又一层的多层打印方式，构造零件对象。3D打印技术的核心制造思想最早起源于美国。早在1892年,J·E·布兰泽在其专利中曾建议用分层制造法构成地形图。1993年萨克斯先生在麻省理工大学发明了3D打印技术。随着3D打印专利技术的不断发明，相应地用于生产的设备也被研发出来。1988年美国的3D系统公司（3D-Systems）根据赫尔的专利,生产出了第一台现代3D打印设备——SLA-250（光固化成形机），开创了3D打印技术发展的新纪元。在此后的10年中，3D打印技术蓬勃发展，涌现出了十余种新工艺和相应的3D打印设备。1996年3D系统公司使用喷墨打印技术制造出其第一台3D打印机——Actua 2100。同年Z公司也发布了Z402-3D打印机。总体而言，美国在设备研制、生产销售方面占全球主导地位，其发展水平及趋势基本代表了世界的发展水平及趋势。欧洲和日本也纷纷进行相关技术研究和设备研发。奥地利科学家用3D打印技术，成功复原了一块此前未知的亿年前生物化石的原貌。

目前，NASA宣布采用3D打印技术制造了火箭发动机的喷射器，它在高温高压测试中“完美工作”。这意味着该机构在通过3D打印技术削减太空探索中的硬件成本方面“前进一大步”。NASA利用“选择性激光熔融”工艺，用高能激光束把镍铬合金粉末熔化，再根据计算机设计的3D模型“打印”出喷射器。这仅仅是3D打印机其中的一种工作原理：粉末微粒被喷撒在铸模托盘上形成一层极薄的粉末层，然后由喷出的液态粘合剂进行固化。它也可以使用一种叫做“激光烧结”的技术熔铸成指定形状。当遇到包含孔洞及悬臂这样的复杂结构时，介质中就需要加入凝胶剂或其他物质以提供支撑或用来占据空间。这部分粉末不会被熔铸，最后只需用水或气流冲洗掉支撑物便可形成孔隙。如今可用于打印的介质种类多样，从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质，完全可以满足太空设备的制造要求。有些打印机还能结合不同介质，令打印出来的物体一头坚硬而另一头柔软。

该喷射器是NASA用3D打印技术制造的火箭发动机组件中最大的，其大小相当于小型火箭发动机的喷射器，但其结构设计参照的是将航天员送上小行星的大型火箭发动机喷射器。在测试中，该喷射器产生了创纪录的9吨推力，是此前曾用3D打印技术制造的同类喷射器的约10倍。初步数据显示，在每平方米近1000吨的高压和约3316摄氏度的高温下，这个喷射器可“完美工作”。 NASA不仅利用3D打印技术制造喷射器，而且还正在资助一个有趣的研发3D食品打印机的项目，采用的原料可能来自于昆虫、草和藻类等提取出的油、蛋白质粉和碳水化合物的混合，这一想法听起来是不是更加不可思议呢？

3D打印航天食品

据美国《华盛顿邮报》5月22日报道，NASA将资助总部位于得克萨斯州奥斯汀的系统和材料研究公司一项小型企业创新研究（Small Business Innovation Research，简称SBIR)项目，旨在研究能为航天员按照“数字菜谱”制造营养可口食品的3D打印机。虽然人类的食材五花八门，但所有食物都可划归为四种最基本的营养元素：水、蛋白质、碳水化合物和无机盐。研究人员试图用这四种最基本的营养元素打印出各式食品。据设想，3D食品打印机“能混合各种粉末，生产出色香味俱佳的食品”。项目经理、系统和材料研究公司工程师安詹·康特拉克特解释这一项目的灵感时说，他曾用3D打印机为妻子打印出巧克力。

系统和材料研究公司提议，所有航天员食品中的营养成分，例如糖类、蛋白质和碳水化合物，都将以粉末形式储存在3D食品打印机中的盒中（类似于普通打印机的墨盒），这些材料保质期长达30年。材料的长寿命是长期太空任务中航天员的理想选择。当航天员选择好菜谱后，所有必要的食材都将进入一个隔间，与水和油混合。上述混合物随后加热并喷到一个烧热的底座。食品在这个底座上一层一层形成，直至新鲜“出炉”。系统和材料研究公司把比萨饼作为他们的第一个目标。系统和材料研究公司研究部门主管戴维·欧文解释说，比萨饼就是那种“底部牢固、中部绵软、顶部像肉”的东西，因为它包含多种营养和口味。同时，比萨饼的多层次构造，是使用3D打印技术的关键。3D打印技术依照数字原图，数以百万次连层叠加材料，形成三维物体。

3D食品打印机的工作原理与普通的喷墨打印机十分相似。只不过，打印机五颜六色的墨盒被盛有食物成分的存储盒代替。食物打印机的内存中存有各式各样的菜谱。在打印食品之前，通过按键来选定某个食谱。把液化的原材料放进容器之后，打印机就会根据食谱规定的程序开始一层一层地将相应的食物成分堆放于工作台上或直接放在盘子里。之后，该食物或被烤制后冷却。

事实上，用3D打印机制造食品并非新创意。设计3D食品打印机的初衷是，随着世界人口达到高峰，食品将成为稀缺资源，设计者试图研发食品打印机来实现人类食物来源的革命性改变。美国及荷兰飞利浦公司都曾进行过相关研究。2011年，美国康奈尔大学博士生杰弗里·利普顿设计出一款3D注射型食物打印机“康奈尔”。“康奈尔”利用面团在器皿中的运动制作食品，也就是使用液态食品，逐点逐层打印出可食用的饭菜。

马萨诸塞州理工大学的科学家们已成功研制出3D数字巧克力打印机（3D Digital Chocolatier），可以“打印”出由水果、坚果和巧克力制成的点心。3D数字巧克力打印机由可旋转的食物成分盛放盒、热成型接受器和用户界面几部分组成。食物成分注入到热成型器内，在那里被迅速冷却，将巧克力外形固定，就不会发生巧克力液流洒的现象。食谱存储在打印机内存中，可供用户反复使用。

3D食物打印机有很多优点：液化的原材料能很好地保存，而且可以高效利用厨房空间；你可以根据自己的口味对食谱做不同的调整，比如让饼干更加薄脆，或是让肉更加鲜嫩多汁。食物3D打印机还能干很多漂亮活儿，比如说在饼干里夹一封信。它甚至能够做出火鸡肉圆塔，或是自制的寿司。3D食物打印设备对于那些必须给婴儿喂食的父母来说也非常有吸引力，避免了有营养的食物外观不吸引人的缺点。可以打印出胡萝卜制成的意大利面，土豆粉加工的糖果等。

NASA的3D打印机专家凯伦·塔明格说：“我们将尽可能在国际空间站使用3D打印机。目前我们正在完善硬件和系统程序升级，使其功能更加健全，便于航天员太空使用。这就像哥伦布带着先进的工具探索新大陆一样，NASA正在研制一种定制化添加制造仪器，可以让太空探索者随时随地，依据意愿制造物品。”

3D打印技术现已应用在制造业、汽车、消费品等领域，同样在太空应用的设想颇为迷人，不仅因为这能减轻飞船重量，还因为可以使用类似技术制造工具等其他物品。3D打印技术将给太空之旅带来一场革命，使航天员们未来在太空工作更高效，更舒适。期待“太空3D打印时代”早日到来！

          ——摘自《航天员》2013年第五期

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