火星探測

中國“天問一號”和“長征五號”均使用了3D打印技術

2021年5月15日，我國火星探測任務“天問一號”探測器的著陸巡視器成功在火星烏托邦平原南部預選著陸區著陸，中國航天器首次奔赴火星，完成了人類航天史上的一次壯舉。
“天問一號”探測器由中國航天科技集團五院抓總研制。五院總體設計部作為火星探測器的抓總單位和結構機構分系統研制單位，采用金屬3D 打印技術和跨尺度結構優化設計方法，聯合北京衛星制造廠、北京理工大學、大連理工大學、西北工業大學、南京航空航天大學、西安鉑力特增材技術股份有限公司、沈陽精合數控科技開發有限公司等國內優勢團隊，圍繞面向3D打印結構設計、3D打印專用材料研發、3D打印專用裝備研制及制造工藝開展聯合攻關。

在 “天問一號”的研制過程中鑫精合作為增材制造解決方案提供商，采用激光選區熔化成形技術（SLM）制造交付產品 30 余項，激光沉積技術（LDM）制造交付產品 9 項。在減重、特殊功能實現等多個維度解決火星登陸項目研制工藝技術難題，火星探測器的著陸成功，標志著增材制造技術在航天深空探測領域應用邁出開拓性的重要一步。

而用于發射天問一號的長征五號運載火箭上，也有一批3D打印的重要部件，其中之一就是級間解鎖裝置保護板，是由中國航天科技集團公司中國運載火箭技術研究院航天材料及工藝研究所通過采用華曙高科連續增材制造系統（CAMS）HT1001P解決方案加工而成。

長征五號運載火箭總長約57米，箭體直徑達5米，不僅是我國最高、體積最大的火箭，也是運載能力最強的火箭。級間解鎖裝置保護板其單批次加工件數較少，加工頻次較低，如采用傳統注塑方式需要使用模具，模具成本高，且模具的保存成本也較高。而采用3D打印技術，則無需開模，一體成型。

火箭級間解鎖裝置保護板每個部件尺寸約為370mm*100mm*125mm，最終整個部件尺寸直徑約5000mm，采用HT1001P打印近50件拼接而成，耗時僅48小時。

國外火星探測器3D打印技術應用

美國宇航局（NASA）的 "毅力號"火星車，于2021年2月18日降落在火星表面，并且傳回了第一張火星照片?；鹦擒嚿习惭b了11個用3D打印技術制作的金屬部件，這些部件經歷了重重考驗，最終到達火星，并將在后續的火星探索過程中繼續發揮作用。
3D打印技術可以讓工程師們制造出獨特的設計和性能，比如讓硬件更輕、更強，或者對熱或冷的反應更靈敏。

“毅力號”火星車的前身“好奇號”，是第一個將3D打印部件帶到火星的。它在2012年著陸時，探測器的火星樣品分析（SAM）儀器內有一個3D打印的陶瓷部件。此后，NASA繼續測試3D打印在航天器中的使用，以確保零件的可靠性。

相關負責人表示，“毅力號”的3D打印部件如果不能按計劃工作，也不會危及任務。
3D打印PIXL的外殼

在前往火星的11個3D打印部件中，有5個在 "毅力號"的PIXL儀器中。這個飯盒大小的設備是X射線巖石化學行星儀器，它通過向巖石表面發射X射線束進行分析，幫助火星車尋找微生物生命化石的跡象。

PIXL與其他工具共享空間，位于火星車7英尺長（2米長）機械臂末端的88磅（40公斤）旋轉炮塔中。為了使這個儀器盡可能地輕巧，JPL團隊將PIXL的兩片鈦殼、一個安裝框架以及將外殼固定在機械臂末端的兩個支撐支柱設計成中空結構，而且壁極薄。事實上，這些部件由一家名為Carpenter Additive的供應商進行3D打印，質量比傳統生產方式的輕三四倍。

首席機械工程師Michael Schein說："3D打印使這個儀器成為可能，這些技術讓我們實現了傳統制造無法實現的輕質量和高精度。"

MOXIE中的3D打印熱交換器

"毅力號 "火星車的其他6個3D打印部件在 "火星氧氣原位資源利用實驗 "儀器中，簡稱MOXIE。這個設備將測試新的技術，未來可以生產工業數量的氧氣，在火星上制造火箭推進劑，幫助宇航員發射回地球。

為了制造氧氣，MOXIE將火星空氣加熱到近1500華氏度（800攝氏度）。設備內有六個熱交換器：巴掌大小的鎳合金板，保護儀器的關鍵部件不受高溫影響。

傳統的機械加工熱交換器需要由兩部分組成并焊接在一起，而MOXIE的每一個熱交換器都是在加州理工學院作為單件3D打印出來的。
幫助開發熱交換器的材料工程師Samad Firdosy說："這類鎳部件被稱為超合金，因為它們即使在非常高的溫度下也能保持強度，超合金通常出現在噴氣發動機或發電渦輪機中。它們的抗腐蝕能力非常好，即使在真正的高溫下也是如此。"

雖然新的制造工藝提供了便利，但3D打印機鋪設的每一層合金都會形成孔隙或裂縫，從而削弱材料的強度。為了避免這種情況，這些板材在熱等靜壓機、氣體粉碎機中進行處理，它能將材料加熱到超過1832華氏度（1000攝氏度），并在零件周圍均勻地增加強大的壓力。然后，工程師使用顯微鏡和大量的機械測試來檢查熱交換器的微觀結構，并確保它們適合太空飛行。

獵戶座太空船

2018年，NASA的獵戶座太空船由3D打印機制造超過100個部件，使用了承受深空太空任務的極端溫度和化學作用的新材料，包括新型Antero™800NA的ESD變體，這是一種基于PEKK的熱塑性材料，可提供高性能的機械，化學和熱性能。
生產級熱塑性3D打印零件，由洛克希德馬丁公司的增材制造實驗室與PADT合作生產，PADT采用S公司的3D打印機，和ULTEM 9085樹脂等先進材料和納入關鍵靜電耗散（ESD）功能的新型Antero材料 ，NASA可以滿足3D打印部件在深空極端條件下的關鍵要求。Antero非常適合滿足NASA對耐熱和耐化學性的要求，以及承受高機械載荷的能力。

歐洲火星漫游者探測器

Ogle擅長原型開發，開發制造探測器底盤的主體和太陽能電池板。用到3D打?。⊿LS）也會有傳統工藝，比如CNC。他們還打印了8個合頁，用于讓太陽能板完美折疊。

據了解，在終端應用上，也安裝了部分3D打印零件。

月球探測

中國“嫦娥四號”“嫦娥五號”

“嫦娥四號”是中國探月工程二期發射的月球探測器，也是人類第一個著陸月球背面的探測器。嫦娥四號于2018年12月8日發射升空；于2019年1月3日在月球背面預選區著陸。

1月15日，“嫦娥四號”生物科普試驗載荷項目團隊發布消息，隨嫦娥四號登陸月球背面的生物科普試驗載荷中，棉花種子首先成功發芽了。

月球上的重力只有地球重力的六分之一，晝夜間大約有300度的溫差變化，這些種子需要在發射場待兩個月，太空飛行需要一個月時間，那這些種子都是如何保存，才不會在旅途中散落，在達到月球后被“喚醒”呢？

重慶大學生命科學學院副教授 邱丹：這個是一個3D打印的模塊，月球上放的是這樣一個完全一模一樣的模塊，就放置生物在里面，然后蓋上水溶棉，然后固定好，封上膠，確保它不會泄漏或者溢出。


2020年12月1日，嫦娥五號順利著陸月球表面，12月2日凌晨3時，開始采樣工作，經過約19小時的月面工作，于12月2日22時順利完成月球表面的自動采樣工作。當人們在熒屏上為嫦娥五號在月球上的精彩操作而雀躍時，殊不知，在航天科技集團五院，嫦娥五號的“雙胞胎妹妹”，正在一個完全模擬月球環境的場地上，默默做著背后的無名英雄。
此次月球采樣，是在相距38萬公里的地月兩地同步進行。嫦娥五號登月后，身上的監視相機會測量月球表面的實時數據，然后傳到北京，經過電腦快速繪制，將月球上比較大型的巖石由測繪數據轉化成3D模型，通過優你造的高速連續3D打印機，將模型打印出來，再撒上模擬月壤。這樣，一個與月球著陸點周邊完全相似的模擬環境就搭建起來?？蒲腥藛T在地球上的模擬實驗場中先控制嫦娥五號的雙胞胎妹妹，模擬出最佳采樣路徑，再操作萬里之外的嫦娥五號進行實際采樣。確保嫦娥五號能在月球上以最優的方案順利完成采樣任務。

要將月球的巖石模型在模擬場地現場實時快速打印。傳統的3D打印技術，如果要打印這些模型需要花費10多個小時，而在月球上的工作時間每增加一秒鐘，不光意味著巨額的成本，也會讓航天器面臨更多的未知風險。優你造自主研發的cUDP連續打印技術，可以將打印時間縮短到10幾分鐘，使得地月同步操作成為可能。

NASA計劃在月球3D打印棲息地

2020年10月，美國NASA資助了一項太空3D打印建筑的計劃，叫做奧林匹斯項目，目的是開發一種在月球上進行機器人建筑的方法。奧林匹斯項目的推動者是一家建筑3D打印公司——ICON。


ICON、建筑公司BIG、太空初創公司SEArch+將與NASA馬歇爾太空飛行中心合作，探索月球土壤模擬物的增材制造。BIG合伙人Martin Voelkle提出，在月球上3D打印實現的零浪費的可持續發展實踐可以推廣到地球上的建筑中。

之前，已經啟動了許多項目來探索在太空中3D打印棲息地的可能性，包括太陽能燒結 ，有些努力可以追溯到2014年。在這種情況下，被選為SBIR的企業可能會勝任這項任務。ICON已經取得了一些了不起的功績，比如為美國軍車3D打印庇護所，并在墨西哥破土動工建設一個3D打印社區。它還在德克薩斯州奧斯汀市為無家可歸者建造了庇護所。

建立太空棲息地是美國宇航局更大的 "阿特米斯 "項目的一部分，該項目不僅面向2024年讓宇航員登陸月球，還在那里建立了一個長期基地。ICON的是否會成為為人類在月球上持續存在奠定基礎的項目，我們還不能知道。

歐洲航天局3D打印月球地板

2021年9月，荷蘭的機器人金屬3D打印公司MX3D已經為歐洲航天局（ESA）的月球定居點原型建造了一種基于新型材料的高效"骨架地板"。

通過將劃線應力圖分析與3D打印相結合，MX3D公司建造出一個超輕的鋼結構，該結構具有光滑的網狀設計，質量減少到395公斤。據歐空局工程師Advenit Makaya表示，這種結構的制造成功顯示了MX3D技術的效率和在月球開展建筑作業的潛力，未來它還有可能應用于雷石結構的建造。

輕量化的 "骨骼"設計

MX3D的地板是為建筑公司SkidmoreOwings and Merrill（SOM）正在開發的四層歐空局月球棲息地原型而建造的，它經過了拓撲優化，以盡可能地節省材料。在實際建造中，該結構是使用MX3D公司專有的WAAM技術3D打印成六個垂直部分，然后再焊接成一個有凝聚力的下部結構。

在三根柱子的支撐下，地板上的一系列面板形成了一個 "網狀"，能夠作為一個支撐結構，而不需要填充，同時其整體設計向周邊和中心傾斜，允許這些區域以較小的厚度進行3D打印，但不以內聚力或完整性為代價。
美國大學生團隊3D打印月球火箭著陸墊原型

2021年初，10名來自美國大學的本科生組成的一個團隊，他們與美國宇航局、德克薩斯州軍事部和增材制造公司ICON的專家一起，利用3D打印技術建造了一個月球煙塵緩解裝置（Lunar PAD），并進行了點火測試。這個裝置的主要作用是，在火箭降落在月球表面時，避免產生大量的煙塵。
3D打印提供了主流建筑中所沒有的設計自由。3D打印的Lunar PAD原型直徑為20英尺，高1.6英尺以上。然而，一個全尺寸的月球著陸墊可能需要大約100米的直徑。


這個原型的設計很關鍵，需要引導氣流向上和向外，最大限度地減少發射和著陸過程中的灰塵飄散量。通常著陸場的特點是平坦或堅實的表面，而他們設計的著陸墊中間有一定的高度，表面有開口，在飛船著陸時起到向外擴散排氣的作用。

結束

除了火星探測和月球探測之外，在小星星的探測方面，也將使用3D打印技術。

比如3D打印材料廠商KEXCELLED表示將3D打印PEEK用于小行星探測器返回艙熱防護系統。