細數航天巨頭NASA的3D打印七大功績

寂靜天花板

作為全球航空航天領域“響當當”的超級研發機構，NASA的一舉一動都受到全球的廣泛關注。隨著3D打印，機器人等新興技術的誕生，NASA也一改往日的研發模式，開始探討各種新型高效的科學實驗方法，并獲得了很多舉世矚目的成就。今天，我們就一起來走近這個國際航天界的“大佬”，看看人家是如何巧妙應用3D打印，并創造奇跡的！

NASA開發新一代立方體衛星3D打印推進系統

2014年12月份的時候，相關媒體曾經報道過，Aerojet Rocketdyne成功完成了對MPS-120立方體衛星（CubeSat）上的3D打印肼集成推進系統的點火試驗。近日，該公司又一次被美國宇航局（NASA）召喚，開發它的下一代——MPS-130上使用綠色推進劑的模塊化推進系統。這一次同樣是3D打印的。這份新協議似乎是Aerojet Rocketdyne公司和NASA之間長期合作歷史中最新的一部分。Aerojet Rocketdyne公司是世界公認的為航天、導彈和戰略系統提供推進和動力系統的領導者，同時在3D打印技術的應用方面也處于領先地位。就在幾周前，該公司就與NASA簽署了一項金額為16億美元的合同，為后者3D打印RS-25火箭發動機。而在幾個月之前，NASA測試成功的F-1火箭發動機的3D打印部件也是由Aerojet來完成的。事實上，從2013年起，雙方在3D打印火箭發動機部件的合作就已經開始了，媒體也對此也曾經進行過多次報道。

在此次交易中，似乎MPS-130立方體衛星的推進系統也將采用與MPS-120同樣的方式開發。不過此次的不同之處在于，MPS-130將首次采用綠色推進劑（全名為AF-M315E）。這不僅會改善CubeSat在太空中的能力，而且還提供了一個比傳統的肼推進劑更安全、更高效、性能更高的選擇。“我們為在推動立方體衛星推進系統的發展方面與NASA建立的伙伴關系而感到興奮。”Aerojet Rocketdyne公司CEO Eileen Drake稱：“毫無疑問它將在私營部門和公共部門中為那些尋求提升微型衛星能力，并且希望能夠更經濟、有效和安全地操作它們的人們打開一扇新的大門。”根據計劃，MPS 130的綠色推進系統將給立方體衛星和微型衛星（nanosats）提供足以媲美大型衛星的動力，但是其尺寸卻小得多。這將使其具備更長的任務周期、更大的彈性和更多的機動選項，無論是在較高還是較低的軌道中。復雜的近距離操作和編隊飛行也會在這種下一代推進系統中使用。它將同時具備基本的推進能力和3軸控制能力，這也是為那些需要顯著的ΔV能力的立方體衛星的客戶設計的。關于MPS-130的更多技術細節，請點擊此處。

據了解，此次交易也是NASA利用公私合作關系推動引爆點技術計劃的一部分，而該計劃的目的之一就是將類似3D打印這樣的下一代技術推進到商業上可行的境地。作為交易的一部分，Aerojet Rocketdyne公司未來將會交付一個完全集成的帶綠色推進器的MPS130系統進行飛行演示，當然還要進行相應的開發和驗證測試。

3D打印超音速發動機通過NASA測試

在美國航空航天局（NASA）位于弗吉尼亞州的蘭利研究中心，美國太空制造公司Orbital ATK成功對3D打印的高超聲速發動機燃燒室進行了風洞測試。上圖為設計軟件中的超高音速飛機概念圖，程序正在模擬其空氣動力學特性。Orbital ATK公司稱，超燃沖壓發動機的燃燒室是推進系統中最具挑戰性的部分之一，它要在極端不穩定的環境中容納并維持穩定的燃燒。我們或許可以在未來的超高音速飛機——如NASA無人試驗性超高音速飛機X-43的未來版——看到這種燃燒室的應用。　　Orbital ATK公司稱，超燃沖壓發動機的燃燒室是推進系統中最具挑戰性的部分之一，它要在極端不穩定的環境中容納并維持穩定的燃燒。我們或許可以在未來的超高音速飛機——如NASA無人試驗性超高音速飛機X-43的未來版——看到這種燃燒室的應用。

此次測試在美國航空航天局（NASA）位于弗吉尼亞州的蘭利研究中心進行，該突破將有助于高超聲速飛機（時速達到5500公里，相當于4.5倍音速）更快地研制成功。此次測試在美國航空航天局（NASA）位于弗吉尼亞州的蘭利研究中心進行，該突破將有助于高超聲速飛機（時速達到5500公里，相當于4.5倍音速）更快地研制成功。

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NASA成功測試激光3D打印火箭發動機

今年2月份，NASA成功對一臺采用多個3D打印復雜部件的火箭發動機進行了測試，該測試采用低溫液氫和液氧燃料，產生了2萬磅的推力，這也意味著向實現全3D打印的高性能火箭發動機又邁進了一步。

增材制造（或3D打印）技術是提高航天器設計和制造能力的一項關鍵技術，將在未來太空探索中發揮更大的作用。未來的計劃包括對采用液氧和甲烷推進劑的發動機進行測試，這是用于火星登陸器的重要推進劑，因為火星上可能存在甲烷和氧氣。重要的是，這些部件與常規的發動機以相同的方式工作，需要承受火箭發動機內極端的溫度和壓力。渦輪泵的轉速可達每分鐘90000轉（rpm），而最終使推力室產生超過20000磅的推力，像這樣的發動機可以為火箭或火星探測器提供所需的推力。

NASA共進行了七項測試，最長的一項持續了10秒。在測試過程中，3D打印的驗證機承受了飛行火箭發動機產生推力時所有的極端環境，其中燃料燃燒時溫度超過6000華氏度（3315攝氏度），主要用于提供液氫燃料的渦輪泵可承受低于400華氏度（零下240攝氏度）的溫度。這些測試使用的是航天飛船推進系統中常見的低溫液氫和液氧推進劑。雖然甲烷和氧氣被證明是更加適合用于火星探測的推進劑，但采用低溫液氫和液氧推進劑能夠產生最極端的溫度并且使零部件暴露在低溫液氫中（這可能會導致脆化），從而能夠測試3D部件的極限性能。該團隊還計劃采用甲烷以及對冷卻燃燒室、噴嘴以及渦輪泵等其他關鍵部件進行測試。

上述這些零部件均采用選擇性激光熔融工藝制造，其中，與采用傳統的焊接和裝配工藝制造的泵相比，3D打印的渦輪泵零部件數量減少了45%，而噴油器則比傳統方法制造的減少了200多個零部件，并且其性能也是采用其他方法無法實現。對于閥門等復雜零部件，它的生產周期通常需要一年以上，而采用3D打印技術則可將其縮短至幾個月的時間。

NASA成功運送第二臺太空3D打印機

對于太空3D打印機，大家應該略有耳聞。近日，美國宇航局準備向國際空間站運送第二臺高性能3D打印機，將開始執行太空3D打印任務。這臺3D打印機將從佛羅里達卡納維拉爾角（Cape Canaveral）發射的貨運飛船---天鵝座（Cygnus）無人飛船載入國際空間站，同行的還包括食物、水和其他補給。這臺3D打印機是第一臺太空3D打印機的升級版。這兩臺太空3D打印機的制造商Made In Space公司表示：“第一臺太空3D打印機基本上是一個原型，主要看看這個技術是否有效。而第二臺3D打印機可以打印多種材料，打印尺寸也擴大了8倍，而且可以實現更高的分辨率。”  

據了解，NASA將使用這臺3D打印機在軌道上制造對象，而Made In Space的終極研究目的是在太空中3D打印出整個衛星。另外，當天鵝座飛船抵達國際空間站后，宇航員卸下貨物并將垃圾裝進飛船。這些垃圾將通過飛船上的航天器火災實驗設備---Saffire，在大氣中燃燒，科研人員借此觀察火焰是如何在太空環境中蔓延的。這樣助于NASA設計相應的安全功能，以減輕載人航天器的火災風險。

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NASA科學家開發出等離子3D納米打印技術

日前，美國宇航局（NASA）的科學家們開發出了一種新型納米材料打印工藝，使人們可以用它更容易、更便宜地制造諸如可穿戴化學、生物傳感器、數據存儲器和集成電路之類的裝置，而且可以將其打印在彎曲的表面上，比如紙或者布等。其中的秘密在哪里?等離子體。該噴嘴通過氦等離子體的開關來噴射納米管。當等離子體關閉時，納米管的密度小。該等離子體能夠以很高的密度和良好的附著力將納米管聚集在基板上。

事實上，在基板上逐層打印納米管之類的納米顆粒并不需要任何花哨的硬件——最常用的就是使用噴墨打印機，這種噴墨打印機可能與您在家里或者辦公室里使用的那種機器很相似。不過，盡管這些打印機比較經濟和耐用，它們也有自己的限制，就是只能將液體油墨打印在硬質材料上，要知道不是所有的材料都可以很方便地制成液體的。但最嚴重的限制還是它們只能打印2D對象。氣溶膠打印技術可以部分解決這些問題。該技術可以將納米材料沉積到柔性基板上。但是由于打印之后需要將其加熱到幾百度來干燥油墨，因此仍然無法使用依然的紙或布等材料。如今，來自NASA Ames研究中心和美國SLAC國家加速器實驗室研究人員開發出了一種新的3D打印方法解決了這個問題。該基于等離子打印系統并不需要熱處理階段，事實上，整個過程只需要40攝氏度左右的溫度，而且也不要求打印材料一定是液態的。“你可以用它將東西沉積在紙、塑料、棉花和任何織物上。”NASA Ames研究中心的Mayya Meyyappan說。“它很適合柔性基板。”

為了展示他們的技術，研究團隊在一張紙上覆蓋了一層碳納米管。為了做到這一點，他們通過一個噴嘴直接將碳納米管和氦離子等離子體的混合物噴到紙上。由于等離子體能將粒子集中在紙的表面，形成一個穩固的層而且不需要進一步處理。除此之外，他們還使用同樣的技術3D打印了兩個簡單的化學和生物傳感器。通過將某種分子添加到納米管與等離子體的混合物中，他們可以改變納米管的電阻并響應某些化合物。他們3D打印的化學傳感器是用來檢測氨氣的；而生物傳感器則是專門相應多巴胺的，這是一種與帕金森或者癲癇癥之類的疾病有關的神經傳遞素。據了解，這種3D打印方法非常靈活，很容易就能擴展——只需添加更多的噴嘴即可。例如，一個花灑式的系統就可以一次打印很大的表面。或者它可以設計得像一個軟管，在三維曲面上噴涂納米材料。“這種技術可以完成噴墨打印做不到的事情。”Meyyappan說。“而且任何噴墨打印能做的事情它都能做，因此它相當具有競爭力。”

Meyyappan表示這種方法很容易就能商業應用，只需進行一下比較簡單和廉價的開發即可。目前該團隊正在調整他們的技術使其能夠支持其它的打印材料，比如銅等。這種技術還能夠將電池材料打印到很薄的金屬（比如鋁）板上，然后將該金屬板卷起來，制造出非常小，但是功能卻非常強大的電池，以用在手機或者其他設備上。該研究成果已經發表在《Applied Physics Letters》雜志上，標題為《柔性基板的等離子噴射打印（Plasma jet printing for flexible substrate）》。

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NASA將建設外星基地 外星塵埃3D打印材料獲認可

當人類最終決定殖民外星球時，首先需要解決的是建筑問題，使得人類的脆弱身軀免受嚴酷環境的侵襲。向火星或月球運送裝配式結構或材料的費用十分驚人（1千克材料的月球運送費大約為10萬美元），因此專家正尋找在外星球直接進行建筑的方法。如今，我們或許有了答案：3D打印——在火星和月球就地取材，用塵埃打印出建筑材料。該流程名為“選擇性分離燒結”（簡稱SSS），它可以將火星和月球上的常見材料轉換為建筑材料（如瓦片和磚塊）。該過程大致是這樣的：將火星和月球上的現成硅酸鹽材料（如氧化鎂和表皮土）加熱到極高溫度，并形成物體。“選擇性分離燒結”是一種新穎的粉末增材制造方法，可以制造出各種規格的高分子材料、金屬材料、硅酸鹽材料、復合材料的部件。

南加州大學的工程師赫洛克·霍什內維斯是此技術的的開發者。最近，他拿它參加了NASA的“就地資源利用挑戰賽”，并奪得本年度的頭籌（獎金2000美元）。該競賽旨在尋找就地利用月球和火星材料并用于建筑的方法。“選擇性分離燒結”技術使我們可以僅攜帶一臺機器前往火星，用它打印出常見的建筑材料。不僅如此，它還能在國際空間站有用武之地。需要時，宇航員可以用它來打印工具和備件。此技術可以使空間開拓更加經濟、可行。在零重力條件下，任何直接、高溫的金屬材料、硅酸鹽材料、復合材料的制造方法都不可行，而此技術則將成為先例。  

接下來，霍什內維斯將在真空室內對此流程進行測試，以確保在太空環境下一切順利。我們尚不知道測試成功之后將會怎樣，但毫無疑問：當我們最終抵達火星（或建造月球殖民地）時，類似的3D打印技術必將為我們所用。

超聲波金屬3D打印技術為NASA制造智能部件

FBG傳感器是一種光纖光柵傳感器，可以精準的測量位移、速度、加速度、溫度。主要應用在煤礦圍巖、橋粱建筑、航空航天、石油化學工業等領域。如果將FBG傳感器嵌入到金屬零部件中，這個零部件將成為可以感知溫度、速度等變量的智能零部件。 美國航空航天局（NASA）蘭利研究中心最近與Fabrisonic公司合作，使用Fabrisonic的UAM 3D打印機將FGB傳感器嵌入到金屬零部件中，以長期監測零件的應變。

通常情況下，在金屬3D打印的過程中會產生高溫，這將會導致嵌入的FBG傳感器失去敏感性。因此，制造嵌入傳感器的智能金屬零部件，需要使用低溫的制造技術。Fabrisonic 公司的UAM 3D打印機的獨特之處在于使用了一種將超聲波焊接與CNC結合起來的技術。UAM工藝主要使用使用超聲波去熔融用普通金屬薄片拉出的金屬層，從而完成3D打印。這種方法能夠實現真正冶金學意義上的粘合，并可以使用各種金屬材料如鋁、銅、不銹鋼和鈦等。在制造過程中溫度低于200華氏度，在這樣的溫度環境下嵌入傳感器可以避免傳感器被損壞。

Fabrisonic 公司在制造這個智能零部件的過程中，鉆出一個小通道，并將傳感器放入小通道中，然后在通道上繼續進行金屬的逐層焊接。經過NASA 蘭利研究中心的測試，嵌入到零部件中的傳感器沒有在制造過程中受到損壞，可以正常完成應變檢測任務。據了解，超聲波金屬焊接技術始于19世紀30年代，但受超聲波換能器功率的限制，多年來超聲波焊接技術主要應用在塑料焊接領域。直到大功率超聲波換能器出現后，該技術在焊接一定厚度的金屬箔材領域得到了發展。