新太空经济中的增材制造：当前成就和未来前景！
时间:2023-11-23 18:32 来源:增材在线 作者:admin 点击:次
近年来，太空探索领域发生了变革，新太空经济蓬勃发展。这种演变不仅重新定义了现有的太空基础设施和服务，而且使太空访问民主化，加速了探索工作。这种演变的核心是增材制造(AM)，这是一项突破性技术，从根本上改变了发射器和太空系统的设计和生产格局。增材制造不仅提高了现有太空任务的效率，还为太空探索和在地球以外建立可持续人类住区开辟了新途径。 2023年11月17日，欧洲空间研究和技术中心与米兰理工大学学者合作在《Progress in Aerospace Sciences》（中科院1区，Top，影响因子9.6）发表最新综述文章“Additive manufacturing in the new space economy: Current achievements and future perspectives”，对推动增材制造在关键空间领域采用的工业需求进行了全面且最新的探索，深入研究了现有应用和未知领域，探索创新进步，同时强调行业差距和障碍。在增材制造技术日渐成熟、增材制造组件在太空任务中逐渐应用以及与主要太空市场趋势相一致的研究和投资激增的背景下，该综述旨在为航空航天和制造界提供当前和未来的全景图，以及在快速扩张的新太空经济中增材制造的未来机遇。此外，它揭示了该领域的深远影响和势头，同时审视需要共同关注的重大挑战。 
图1. 增材制造可以成为新太空经济主要领域的关键赋能技术。
图2. 用于空间应用的通过金属增材制造生产的拓扑优化的铝合金和钛合金部件示例：a)
韩国通信卫星Koreasat-5A 和Koreasat-7 的铝制支架，b) 用于纳米卫星的铝制光学平台，c) ) Sentinel-1
卫星的铝合金天线支架，d) Scalmalloy® 机构支架演示器，e) SpaceIL 的 GLPX 登月航天器的发动机支架支架。
图 3. 用于空间演示器和应用的增材制造金属部件示例，利用晶格结构带来的各种优势：a)
太阳轨道器太阳传感器支架演示器；b) 用于环境控制和生命支持系统（ECLSS）的分子筛加热板；c) 低温热交换器-注射器-冷凝器演示器；d)
大型（134 × 28 × 500 mm）金属晶格结构演示器。
未来挑战 虽然主流研究和工业发展都集中在增材制造方法上，以满足新太空经济计划的宏伟目标和相关挑战。然而，有几个与增材制造相关的领域尚未得到充分探索——或者至少比其他工业应用探索得少——需要解决和进一步发展，以加强增材制造在战略太空领域的作用。例如，增材制造仅代表相当复杂的工艺流程中的一个步骤，包括粉末去除、支撑去除、热处理、机加工、表面精加工等。文献中越来越多的注意力集中在后处理操作和它们不仅对生产链的整体成本和可持续性产生影响，而且对制造零件的最终质量也产生影响。在某些情况下，后处理操作可能会修复缺陷，它们也可能会引入额外的缺陷和不合格项。促进增材制造在太空应用中更成功采用的一个重要方面是从“增材制造设计”转向“增材制造和后处理设计”概念和解决方案，旨在优化增材制造零件的最终质量和性能，同时考虑自设计阶段以来的后处理阶段。多位作者都指出了这一需求，其中一些人还提出了在单一设计框架中处理增材制造和后处理的方法。然而，这种统一框架在工业界的实际实施仍然相当有限。事实上，构建设计软件工具在为设计师和工艺工程师提供涵盖整个生产链的集成和整体方法方面仍然不完全有效。此外，设计指南和构建优化方法尚未完全成熟，特别是对于工业开发程度较低的工艺，因此最佳实践仍然是研究和持续改进的对象。由整体视角驱动的设计选择的简单示例包括用于去除粉末的额外孔、用于加工关键特征的额外库存材料、用于基准的平坦表面的集成以及用于更好的位置公差和轴向定位的附加特征，但还有更多机会尚未得到充分探索。增材制造方法在所有空间领域的广泛应用在很大程度上取决于设置一个包含所有必要步骤的集成良好且高效的工艺流程的能力，这在涉及大批量生产的应用中尤其重要，例如涉及巨型卫星的部署。 就金属增材制造而言，最新技术主要涉及两类工艺，即用于需要高尺寸精度并呈现复杂几何特征的中小型零件的PBF，以及应用于大型零件的DED或混合制造。未来的研究预计将扩展到其他金属增材制造技术，例如粘合剂喷射、FFF（fused filament fabrication，熔丝制造）、冷喷涂和基于搅拌摩擦的增材制造技术，尽管它们具有显着的潜力，但目前在空间上的成熟度有限。粘合剂喷射对于复杂零件的批量生产以及纳米、微米和小型卫星领域的小型化组件的制造特别有吸引力。 金属FFF虽然需要粘合剂和粘合剂喷射等后烧结，但具有避免使用粉末的优点。对于太空应用，这在部件使用寿命期间的清洁度和避免交叉污染风险方面产生了相关优势，也为中小型部件提供了更低成本的解决方案。在新颖的加工能力中，4D打印也开始引起航天公司的兴趣。4D打印是指智能材料的增材制造生产，这种材料可以以预先编程的方式响应外部刺激而发生变化，其中第四维指的是时间。在太空领域，4D打印可用于生产具有各种有吸引力的特性的金属太空织物，包括反射性、被动热管理和可折叠性。这种织物与其他形状记忆材料一起可用于可展开结构，如太阳能电池阵列、天线和太阳帆，甚至用于新型宇航服。4D打印未来发展的其他前沿涉及生产在需要时改变材料吸收率或发射率的空间结构的可能性，或者地球轨道上的航天器的自我修复结构面板，以保护它们免受空间碎片和微流星体的影响。 一般来说，大多数整合的增材制造工艺和材料都无法完全解决新太空经济发展带来的苛刻要求和新挑战。未来的研究工作预计将提高新技术和新合金的成熟度，以支持未来的空间基础设施和空间探索计划。在多材料和功能分级零件以及用于太空推进的新型贵金属合金的框架中已经取得了重要成果，但进一步的材料和工艺开发仍处于早期阶段。 最后，所有制造的零件必须符合严格的资格和认证要求，特别是通过增材制造生产的关键任务零件。传统上，航天工业严重依赖结合多种技术和尖端方法的扩展NDE检查。新太空经济市场竞争的加剧迫使所有主要机构和公司重新考虑其零件资格和工艺验证程序，迫使他们在检查和验收测试的时间和成本方面寻找更有效的解决方案。与原位和在线测量相关的持续改进和发展可能会提供一个有希望的机会。事实上，增材制造工艺的分层范式允许在零件生产时测量每层中的多个感兴趣的量。这意味着深入理解零件的热历史并表征整个过程中过程行为的巨大潜力。收集到的数据可用于预测缺陷和不稳定工艺条件的检测，并为难以或不可能通过NDE检查的几何特征提供计量数据。大多数金属增材制造系统开发商都在其机器中集成了各种传感器，用于在线和原位数据收集，在少数情况下，还可以使用自动异常检测方法。不断加大的研究力度致力于提高理解大量现场收集数据并实现嵌入式实时智能监控和计量功能的能力。 相反，“主动”方法不仅限于检测缺陷或不稳定的过程状态，而且还可以根据监测的现象调整过程参数。为了生产太空零件，目前只有符合现有标准的被动方法才可以接受。这些方法的认证应“依赖于对测量现象的物理基础的透彻理解、测量现象与定义的缺陷过程状态的经过验证的因果关系，以及缺陷过程状态检测的经过验证的可靠性水平。如果上述方式合格，则可以使用现场过程监测技术来补充无损评估方法”。随着增材制造系统的嵌入式智能和自适应控制算法预计将变得越来越鲁棒，现场监测和闭环控制技术的结合未来可能会发展。前馈和反馈控制方法可以在不同层面上结合起来，以提高制造零件的质量，并在很大程度上避免缺陷的出现。在线缺陷校正代表了实现零缺陷和一次成功的增材制造功能的另一种方法。所有这些潜力都已在受增材制造技术影响的所有工业部门进行了广泛研究，预计它们也将在航天领域智能增材制造能力的发展中发挥重要作用。 所有上述挑战和机遇都适用于在地球上生产空间部件。太空和地球上的增材制造代表了在太空中建立未来人类住区的最雄心勃勃和最有远见的计划，开启了人类历史上的新纪元。在增材制造为未来太空殖民和利用计划做出贡献的多种方式中，3D生物打印代表了一项新技术前沿。 3D生物打印是一种增材制造技术，其中细胞和生物材料以逐层方式同时沉积，以生成具有预先设计的形状和尺寸的生物活性3D组织。不同的工艺适合这一目标，包括基于挤出、激光辅助、喷墨、立体光刻和双光子聚合方法。太空探索特别感兴趣的3D生物打印技术的一个应用领域是再生医学和组织工程，它允许利用组织重建和再生来开发功能性生物组织替代品。3D生物打印已用于多种组织的生成和移植，包括多层皮肤、骨骼、血管移植物、气管夹板、心脏组织和软骨结构。然而，几个重大挑战仍然限制了生物打印全功能复杂组织和器官的能力。这些挑战包括实现血管化和细胞稳定性的困难、缺乏多材料打印解决方案以及分辨率、细胞粘度和数量、生产时间和相关成本方面的限制。 各个研究小组和航天机构正在探索3D生物打印方法，作为长期和远距离人类探索任务的关键支持技术。国际空间站上的医疗突发事件目前被视为急救干预措施。预计船上不会进行手术，但患者必须稳定下来才能紧急返回地球。类似的程序也适用于月球医疗问题的管理，紧急重返地球可以在三到四天内完成。对于距离地球较远的任务，例如未来的载人火星任务，应设想一种不同的方法。在这些情况下，再生医学是唯一可行的选择。这促使越来越多的人对3D生物打印技术进行投资，尽管航天领域在快速发展的整个生物打印市场中仍然只占一小部分。越来越多的公司正在进入这一领域，不断推动与生物打印工艺和生物墨水材料相关的技术创新。然而，与所有其他应用领域相比，太空环境给3D生物打印工艺带来了额外的挑战。一是涉及低重力或微重力条件。迄今为止，已经进行了一些开创性的研究来证明抛物线飞行期间基于微挤压的过程。更具体地说，测试了颠倒打印，显示了在这种条件下使用水凝胶生物墨水和适合骨生物打印中机械支撑的糊状磷酸钙骨水泥打印明确结构的可行性。在国际空间站上进行的其他开创性测试涉及长期运行的细胞培养实验，证明了在微重力条件下管理细胞培养基和悬浮活细胞的可行性。与太空使用相关的最后一个挑战与最大限度地减少从地球发射的材料的数量有关，这激发了对基于人体血浆和生物聚合物（即仅来自可再生来源）的创新生物墨水的研究。血浆可以从正在打印组织结构的宇航员那里获得，而生物聚合物可以从太空中培养的藻类、植物或细菌中分离出来。 关键结论 过去10至20年间，航天行业取得了长足的发展，从一个以政府运营的高风险项目为主流的资本密集型行业，转变为一个竞争激烈的领域，一些新的利益相关者和年轻公司正在引入新的技术。上下游领域的最佳实践以及新的商业模式。这种演变塑造了我们目前所说的新太空经济，在这种经济中，先进的数字制造解决方案在实现雄心勃勃且具有挑战性的目标方面发挥着核心作用。 地球观测、卫星通信、导航和太空探索等空间领域的主要宏观趋势导致了对选择最可行和最合适制造方法的驱动因素和要求的重新定义，从而为增材制造技术的更广泛采用奠定了基础。世界各地的航天机构制定的所有主要路线图都定义了其未来航天活动和相关技术发展的目标，都将增材制造作为关键使能技术之一。此外，智能、数字和绿色制造是私人和公共努力的核心，旨在提高每个工业领域（包括太空）的工厂的效率和可持续性。智能制造的定义是利用高度数字化的系统执行生产任务的能力，配备自动监控和诊断能力、在线适应性和互操作性。由于分层生产范式带来的诸多好处，增材制造有潜力实现所有这些功能。此外，增材制造还与先进材料的采用密切相关。其中，梯度材料和功能化/仿生材料是两个至关重要的创新领域，增材制造为其带来了前所未有的机遇。先进制造议程中的其他相关主题包括扩展可通过增材制造加工的材料范围、开发新的增材制造修复解决方案以及新的材料回收方法和后处理/精加工技术。这些只是需要持续研究工作的众多领域中的一部分，以利用增材制造提供的多种好处和机会来支持可持续太空经济的持续增长。在地球上，预计在轨和行星增材制造将在未来几年对实施和实现更加雄心勃勃的太空任务产生迅速增加的影响。一些增材制造部件已经实现了飞行传统，许多其他部件预计将在未来几年内飞行，包括关键任务部件和3D打印火箭。采用增材制造的下一个前沿领域包括大型结构的太空制造以及空间部件、栖息地基础设施和避难所的行星制造，以及支持未来长期和远程载人任务的新型4D打印和3D生物打印方法。事实上，人类即将面临历史性的里程碑，例如人类重返月球、太空旅游基础设施的发展以及首次载人星际飞行任务的准备。仅靠传统技术无法实现这些目标。增材制造是有望帮助航天机构和私营公司应对这些项目带来的挑战的创新解决方案之一。因此，新的太空经济可以成为新型增材制造能力的开发、测试和验证的助推器，然后这些能力可以转移到各种其他应用领域，作为通常具有重大太空创新特征的技术衍生品的一部分。 论文引用 Ghidini T, Grasso M, Gumpinger J, et al. Additive manufacturing in the new space economy: Current achievements and future perspectives[J]. Progress in Aerospace Sciences, 2023: 100959. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2023.100959 (责任编辑：admin) |