太空失重下的高速光固化树脂3D打印机CosmicMaker

2025年3月30日，南极熊获悉，3D打印机和材料制造商Photocentric推出了一款专为太空环境设计的高速3D打印机CosmicMaker。这款设备在微重力条件下具有独特的功能，能够将液态树脂固化成固体部件，从而实现直接在轨道上制造零部件，显著提高宇航员的自给自足能力。

△CosmicMaker经过了包括完整360度反向旋转运动在内的测试。可制造从塑料到陶瓷的各种产品

CosmicMaker是这家总部位于英国的公司的最新创新成果，专门生产基于液晶显示器 (LCD) 的树脂3D印机和光聚合物材料。目前，该公司已完成原型机的测试，在模拟微重力实验室条件下，通过旋转系统从多个角度观察了树脂的固化行为。公司计划下一步在抛物线飞行中进行测试，以验证它在实际太空环境中的性能。

虽然Photocentric尚未公布CosmicMaker发射的具体时间表，但由于它们正在与欧洲航天局(ESA) 的在轨制造加速器（一个旨在帮助公司打造太空技术的项目）合作，表明该3D打印机未来有望被送往国际空间站（ISS）进行相关测试。

通过3D打印技术减少航天运输成本

目前，太空运输成本极其昂贵。自2021年起，将每公斤货物送至国际空间站的成本约为2万美元。这一数字较前几年有所上涨；例如，2019年，NASA对送往国际空间站的货物（upmass）的收费标准为每公斤3000美元。然而，到了2021年，NASA进一步提高了运送货物到国际空间站的费用。

除了数千美元的发射费用之外，补给任务的安排通常需要提前数月进行，几乎没有灵活性。如果宇航员急需某个关键工具或替换部件，他们可能不得不等待下一次发射，这可能意味着数周甚至数月的延迟。

即便任务已经安排好，发射过程也可能因为天气、技术故障或任务优先级的变化而遭遇推迟。对于航天任务而言，情况更为严峻，因为补给飞行可能根本无法实现。因此，配备一台如CosmicMaker这样的3D打印机在飞船上显得至关重要。它使得宇航员能够在需要时即刻打印所需物品，从而减少对地球的依赖。

△CosmicMaker打印工艺示意

英国航天3D打印机CosmicMaker

Photocentric表示，在太空应用方面，CosmicMaker相较于其它3D打印机具备几个显著优势。迄今为止，大多数太空3D打印机采用的是熔融沉积建模（FDM）技术来制造塑料部件，例如自2014年起在国际空间站上运行的Made In Space（现为Redwire）的增材制造设施（AMF）和Refabricator。

相比之下，CosmicMaker采用基于液晶显示器（LCD）的树脂打印技术。这种方法更为紧凑、节能，并且速度更快。不同于需要高温熔化塑料丝材的FDM，LCD树脂打印通过光固化将液态树脂直接转化为固体。Photocentric指出，在航天器中，能源效率和稳定的控制环境至关重要，因此避免产生额外热量是一个显著优势。

在微重力环境下使用液态树脂进行打印带来独特的挑战，因为流体行为在此环境下变得难以预测。若无适当控制，树脂可能会四处漂移，形成悬浮的液滴。为应对这一问题，CosmicMaker配备了一个密封的双腔系统，确保“树脂流动稳定”，从而使得材料保持在预定位置。这允许宇航员打印出精确且功能完善的部件，而无需担心散落的液滴干扰到任何设备。

此外，CosmicMaker的打印速度也是一大亮点。Photocentric声称这款打印机每天能够生产出高达两吨的塑料部件。尽管在微重力环境中可能难以达到此数字，但该系统的高效率使它成为按需打印备件、工具和关键任务物品的理想选择之一。

△CosmicMaker打印的样品。从左到右：氧化铝、碳化硅

航天3D打印技术发展的潜力

目前，Photocentric正与欧洲航天局紧密合作。除了生产简单的塑料部件，公司还致力于开发在太空中打印复杂碳化硅部件的技术。碳化硅具有高强度、轻质和耐极端温度与辐射的特性，使它成为太空应用的理想材料。若宇航员能在太空中制造这些部件，它们将能够为卫星、太空望远镜，乃至未来月球或火星基地构建高性能系统，而无需依赖地球的物资补给。

展望未来，航天3D打印技术的开发是实现太空任务自主化宏大目标的一部分。随着Photocentric等公司不断优化这些技术，我们有望见证太空工厂的兴起，它们将能够生产从工具到航天器部件等各种必需品。

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