细数航天巨头NASA的3D打印七大功绩

寂静天花板

作为全球航空航天领域“响当当”的超级研发机构，NASA的一举一动都受到全球的广泛关注。随着3D打印，机器人等新兴技术的诞生，NASA也一改往日的研发模式，开始探讨各种新型高效的科学实验方法，并获得了很多举世瞩目的成就。今天，我们就一起来走近这个国际航天界的“大佬”，看看人家是如何巧妙应用3D打印，并创造奇迹的！

NASA开发新一代立方体卫星3D打印推进系统

2014年12月份的时候，相关媒体曾经报道过，Aerojet Rocketdyne成功完成了对MPS-120立方体卫星（CubeSat）上的3D打印肼集成推进系统的点火试验。近日，该公司又一次被美国宇航局（NASA）召唤，开发它的下一代——MPS-130上使用绿色推进剂的模块化推进系统。这一次同样是3D打印的。这份新协议似乎是Aerojet Rocketdyne公司和NASA之间长期合作历史中最新的一部分。Aerojet Rocketdyne公司是世界公认的为航天、导弹和战略系统提供推进和动力系统的领导者，同时在3D打印技术的应用方面也处于领先地位。就在几周前，该公司就与NASA签署了一项金额为16亿美元的合同，为后者3D打印RS-25火箭发动机。而在几个月之前，NASA测试成功的F-1火箭发动机的3D打印部件也是由Aerojet来完成的。事实上，从2013年起，双方在3D打印火箭发动机部件的合作就已经开始了，媒体也对此也曾经进行过多次报道。

在此次交易中，似乎MPS-130立方体卫星的推进系统也将采用与MPS-120同样的方式开发。不过此次的不同之处在于，MPS-130将首次采用绿色推进剂（全名为AF-M315E）。这不仅会改善CubeSat在太空中的能力，而且还提供了一个比传统的肼推进剂更安全、更高效、性能更高的选择。“我们为在推动立方体卫星推进系统的发展方面与NASA建立的伙伴关系而感到兴奋。”Aerojet Rocketdyne公司CEO Eileen Drake称：“毫无疑问它将在私营部门和公共部门中为那些寻求提升微型卫星能力，并且希望能够更经济、有效和安全地操作它们的人们打开一扇新的大门。”根据计划，MPS 130的绿色推进系统将给立方体卫星和微型卫星（nanosats）提供足以媲美大型卫星的动力，但是其尺寸却小得多。这将使其具备更长的任务周期、更大的弹性和更多的机动选项，无论是在较高还是较低的轨道中。复杂的近距离操作和编队飞行也会在这种下一代推进系统中使用。它将同时具备基本的推进能力和3轴控制能力，这也是为那些需要显著的ΔV能力的立方体卫星的客户设计的。关于MPS-130的更多技术细节，请点击此处。

据了解，此次交易也是NASA利用公私合作关系推动引爆点技术计划的一部分，而该计划的目的之一就是将类似3D打印这样的下一代技术推进到商业上可行的境地。作为交易的一部分，Aerojet Rocketdyne公司未来将会交付一个完全集成的带绿色推进器的MPS130系统进行飞行演示，当然还要进行相应的开发和验证测试。

3D打印超音速发动机通过NASA测试

在美国航空航天局（NASA）位于弗吉尼亚州的兰利研究中心，美国太空制造公司Orbital ATK成功对3D打印的高超声速发动机燃烧室进行了风洞测试。上图为设计软件中的超高音速飞机概念图，程序正在模拟其空气动力学特性。Orbital ATK公司称，超燃冲压发动机的燃烧室是推进系统中最具挑战性的部分之一，它要在极端不稳定的环境中容纳并维持稳定的燃烧。我们或许可以在未来的超高音速飞机——如NASA无人试验性超高音速飞机X-43的未来版——看到这种燃烧室的应用。　　Orbital ATK公司称，超燃冲压发动机的燃烧室是推进系统中最具挑战性的部分之一，它要在极端不稳定的环境中容纳并维持稳定的燃烧。我们或许可以在未来的超高音速飞机——如NASA无人试验性超高音速飞机X-43的未来版——看到这种燃烧室的应用。

此次测试在美国航空航天局（NASA）位于弗吉尼亚州的兰利研究中心进行，该突破将有助于高超声速飞机（时速达到5500公里，相当于4.5倍音速）更快地研制成功。此次测试在美国航空航天局（NASA）位于弗吉尼亚州的兰利研究中心进行，该突破将有助于高超声速飞机（时速达到5500公里，相当于4.5倍音速）更快地研制成功。

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NASA科学家开发出等离子3D纳米打印技术

日前，美国宇航局（NASA）的科学家们开发出了一种新型纳米材料打印工艺，使人们可以用它更容易、更便宜地制造诸如可穿戴化学、生物传感器、数据存储器和集成电路之类的装置，而且可以将其打印在弯曲的表面上，比如纸或者布等。其中的秘密在哪里?等离子体。该喷嘴通过氦等离子体的开关来喷射纳米管。当等离子体关闭时，纳米管的密度小。该等离子体能够以很高的密度和良好的附着力将纳米管聚集在基板上。

事实上，在基板上逐层打印纳米管之类的纳米颗粒并不需要任何花哨的硬件——最常用的就是使用喷墨打印机，这种喷墨打印机可能与您在家里或者办公室里使用的那种机器很相似。不过，尽管这些打印机比较经济和耐用，它们也有自己的限制，就是只能将液体油墨打印在硬质材料上，要知道不是所有的材料都可以很方便地制成液体的。但最严重的限制还是它们只能打印2D对象。气溶胶打印技术可以部分解决这些问题。该技术可以将纳米材料沉积到柔性基板上。但是由于打印之后需要将其加热到几百度来干燥油墨，因此仍然无法使用依然的纸或布等材料。如今，来自NASA Ames研究中心和美国SLAC国家加速器实验室研究人员开发出了一种新的3D打印方法解决了这个问题。该基于等离子打印系统并不需要热处理阶段，事实上，整个过程只需要40摄氏度左右的温度，而且也不要求打印材料一定是液态的。“你可以用它将东西沉积在纸、塑料、棉花和任何织物上。”NASA Ames研究中心的Mayya Meyyappan说。“它很适合柔性基板。”

为了展示他们的技术，研究团队在一张纸上覆盖了一层碳纳米管。为了做到这一点，他们通过一个喷嘴直接将碳纳米管和氦离子等离子体的混合物喷到纸上。由于等离子体能将粒子集中在纸的表面，形成一个稳固的层而且不需要进一步处理。除此之外，他们还使用同样的技术3D打印了两个简单的化学和生物传感器。通过将某种分子添加到纳米管与等离子体的混合物中，他们可以改变纳米管的电阻并响应某些化合物。他们3D打印的化学传感器是用来检测氨气的；而生物传感器则是专门相应多巴胺的，这是一种与帕金森或者癫痫症之类的疾病有关的神经传递素。据了解，这种3D打印方法非常灵活，很容易就能扩展——只需添加更多的喷嘴即可。例如，一个花洒式的系统就可以一次打印很大的表面。或者它可以设计得像一个软管，在三维曲面上喷涂纳米材料。“这种技术可以完成喷墨打印做不到的事情。”Meyyappan说。“而且任何喷墨打印能做的事情它都能做，因此它相当具有竞争力。”

Meyyappan表示这种方法很容易就能商业应用，只需进行一下比较简单和廉价的开发即可。目前该团队正在调整他们的技术使其能够支持其它的打印材料，比如铜等。这种技术还能够将电池材料打印到很薄的金属（比如铝）板上，然后将该金属板卷起来，制造出非常小，但是功能却非常强大的电池，以用在手机或者其他设备上。该研究成果已经发表在《Applied Physics Letters》杂志上，标题为《柔性基板的等离子喷射打印（Plasma jet printing for flexible substrate）》。

NASA将建设外星基地 外星尘埃3D打印材料获认可

当人类最终决定殖民外星球时，首先需要解决的是建筑问题，使得人类的脆弱身躯免受严酷环境的侵袭。向火星或月球运送装配式结构或材料的费用十分惊人（1千克材料的月球运送费大约为10万美元），因此专家正寻找在外星球直接进行建筑的方法。如今，我们或许有了答案：3D打印——在火星和月球就地取材，用尘埃打印出建筑材料。该流程名为“选择性分离烧结”（简称SSS），它可以将火星和月球上的常见材料转换为建筑材料（如瓦片和砖块）。该过程大致是这样的：将火星和月球上的现成硅酸盐材料（如氧化镁和表皮土）加热到极高温度，并形成物体。“选择性分离烧结”是一种新颖的粉末增材制造方法，可以制造出各种规格的高分子材料、金属材料、硅酸盐材料、复合材料的部件。

南加州大学的工程师赫洛克·霍什内维斯是此技术的的开发者。最近，他拿它参加了NASA的“就地资源利用挑战赛”，并夺得本年度的头筹（奖金2000美元）。该竞赛旨在寻找就地利用月球和火星材料并用于建筑的方法。“选择性分离烧结”技术使我们可以仅携带一台机器前往火星，用它打印出常见的建筑材料。不仅如此，它还能在国际空间站有用武之地。需要时，宇航员可以用它来打印工具和备件。此技术可以使空间开拓更加经济、可行。在零重力条件下，任何直接、高温的金属材料、硅酸盐材料、复合材料的制造方法都不可行，而此技术则将成为先例。  

接下来，霍什内维斯将在真空室内对此流程进行测试，以确保在太空环境下一切顺利。我们尚不知道测试成功之后将会怎样，但毫无疑问：当我们最终抵达火星（或建造月球殖民地）时，类似的3D打印技术必将为我们所用。

超声波金属3D打印技术为NASA制造智能部件

FBG传感器是一种光纤光栅传感器，可以精准的测量位移、速度、加速度、温度。主要应用在煤矿围岩、桥粱建筑、航空航天、石油化学工业等领域。如果将FBG传感器嵌入到金属零部件中，这个零部件将成为可以感知温度、速度等变量的智能零部件。 美国航空航天局（NASA）兰利研究中心最近与Fabrisonic公司合作，使用Fabrisonic的UAM 3D打印机将FGB传感器嵌入到金属零部件中，以长期监测零件的应变。

通常情况下，在金属3D打印的过程中会产生高温，这将会导致嵌入的FBG传感器失去敏感性。因此，制造嵌入传感器的智能金属零部件，需要使用低温的制造技术。Fabrisonic 公司的UAM 3D打印机的独特之处在于使用了一种将超声波焊接与CNC结合起来的技术。UAM工艺主要使用使用超声波去熔融用普通金属薄片拉出的金属层，从而完成3D打印。这种方法能够实现真正冶金学意义上的粘合，并可以使用各种金属材料如铝、铜、不锈钢和钛等。在制造过程中温度低于200华氏度，在这样的温度环境下嵌入传感器可以避免传感器被损坏。

Fabrisonic 公司在制造这个智能零部件的过程中，钻出一个小通道，并将传感器放入小通道中，然后在通道上继续进行金属的逐层焊接。经过NASA 兰利研究中心的测试，嵌入到零部件中的传感器没有在制造过程中受到损坏，可以正常完成应变检测任务。据了解，超声波金属焊接技术始于19世纪30年代，但受超声波换能器功率的限制，多年来超声波焊接技术主要应用在塑料焊接领域。直到大功率超声波换能器出现后，该技术在焊接一定厚度的金属箔材领域得到了发展。

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NASA成功测试激光3D打印火箭发动机

今年2月份，NASA成功对一台采用多个3D打印复杂部件的火箭发动机进行了测试，该测试采用低温液氢和液氧燃料，产生了2万磅的推力，这也意味着向实现全3D打印的高性能火箭发动机又迈进了一步。

增材制造（或3D打印）技术是提高航天器设计和制造能力的一项关键技术，将在未来太空探索中发挥更大的作用。未来的计划包括对采用液氧和甲烷推进剂的发动机进行测试，这是用于火星登陆器的重要推进剂，因为火星上可能存在甲烷和氧气。重要的是，这些部件与常规的发动机以相同的方式工作，需要承受火箭发动机内极端的温度和压力。涡轮泵的转速可达每分钟90000转（rpm），而最终使推力室产生超过20000磅的推力，像这样的发动机可以为火箭或火星探测器提供所需的推力。

NASA共进行了七项测试，最长的一项持续了10秒。在测试过程中，3D打印的验证机承受了飞行火箭发动机产生推力时所有的极端环境，其中燃料燃烧时温度超过6000华氏度（3315摄氏度），主要用于提供液氢燃料的涡轮泵可承受低于400华氏度（零下240摄氏度）的温度。这些测试使用的是航天飞船推进系统中常见的低温液氢和液氧推进剂。虽然甲烷和氧气被证明是更加适合用于火星探测的推进剂，但采用低温液氢和液氧推进剂能够产生最极端的温度并且使零部件暴露在低温液氢中（这可能会导致脆化），从而能够测试3D部件的极限性能。该团队还计划采用甲烷以及对冷却燃烧室、喷嘴以及涡轮泵等其他关键部件进行测试。

上述这些零部件均采用选择性激光熔融工艺制造，其中，与采用传统的焊接和装配工艺制造的泵相比，3D打印的涡轮泵零部件数量减少了45%，而喷油器则比传统方法制造的减少了200多个零部件，并且其性能也是采用其他方法无法实现。对于阀门等复杂零部件，它的生产周期通常需要一年以上，而采用3D打印技术则可将其缩短至几个月的时间。

NASA成功运送第二台太空3D打印机

对于太空3D打印机，大家应该略有耳闻。近日，美国宇航局准备向国际空间站运送第二台高性能3D打印机，将开始执行太空3D打印任务。这台3D打印机将从佛罗里达卡纳维拉尔角（Cape Canaveral）发射的货运飞船---天鹅座（Cygnus）无人飞船载入国际空间站，同行的还包括食物、水和其他补给。这台3D打印机是第一台太空3D打印机的升级版。这两台太空3D打印机的制造商Made In Space公司表示：“第一台太空3D打印机基本上是一个原型，主要看看这个技术是否有效。而第二台3D打印机可以打印多种材料，打印尺寸也扩大了8倍，而且可以实现更高的分辨率。”  

据了解，NASA将使用这台3D打印机在轨道上制造对象，而Made In Space的终极研究目的是在太空中3D打印出整个卫星。另外，当天鹅座飞船抵达国际空间站后，宇航员卸下货物并将垃圾装进飞船。这些垃圾将通过飞船上的航天器火灾实验设备---Saffire，在大气中燃烧，科研人员借此观察火焰是如何在太空环境中蔓延的。这样助于NASA设计相应的安全功能，以减轻载人航天器的火灾风险。