悉尼大學和中國科學技術大學的工程師設計了一種能夠在模擬空間條件下在高溫下處理PEEK材料的3D打印機。

據該團隊稱，使用熔融沉積成型(FDM)3D打印，可以在軌生產(chan) PEEK衛星備件，但空間中發生的熱傳(chuan) 遞不足會(hui) 導致當前係統過熱。為(wei) 了克服這個(ge) 問題，研究人員開發了一種帶有比例積分 (PI) 控製器的新型3D打印機，能夠在高達400°C的真空中運行，這可能使其成為(wei) 未來在軌維修任務的理想選擇。

研究人員提出的軌道3D打印係統示意圖
圖片來源：《空間研究進展》雜誌

衛星維修難題？

目前在地球軌道上有約2,500顆衛星。除了通訊衛星，一部分衛星對於(yu) 引導太空任務也至關(guan) 重要，因此它們(men) 的失效有可能使航天器偏離軌道，並產(chan) 生可能損壞航天器的碎片。

從(cong) 理論上講，通過“在軌製造”對其進行維修，可以防止衛星出現故障。研究人員認為(wei) 這種方法比將裝有維修裝置的火箭發射到軌道上的成本更低。

然而，中國和澳大利亞(ya) 的研究人員表示，到 2030年，在軌製造的成本預計仍將飆升至62 億(yi) 美元。為(wei) 了幫助航空航天公司減少在這方麵的支出，該團隊因此強調了3D打印實驗在國際空間站上的成功，並建議該技術可以部署在外層空間以及載人航天器上。

特別是，工程師們(men) 認為(wei) FDM機器可能是進行在軌製造的理想選擇，因為(wei) 它們(men) 沒有激光器，依賴於(yu) 易於(yu) 儲(chu) 存的絲(si) 材以及與(yu) PEEK等堅固材料。然而，盡管他們(men) 對該技術持樂(le) 觀態度，但該團隊承認，由於(yu) 過度熔化的絲(si) 材，當前的係統很容易受到材料堵塞的影響。

該團隊軌道3D打印機（如圖）的中心管旨在防止高溫堵塞
圖片來源：《空間研究進展》雜誌

在真空中打印

為(wei) 了使在軌3D打印更加可行，研究人員著手開發一種3D打印係統，該係統具有升級的熱控製單元，可以降落在衛星上，然後使用機械臂更換損壞的部件。除了機械臂和起落架，該團隊的第一個(ge) 原型是標準FDM打印機的的基本結構，配有加熱棒、塊、水槽、帶子、擠出機和散熱器。

作為(wei) 評估機器潛力的一種方式，該團隊選擇進行一些PEEK打印模擬。有趣的是，結果表明，增加設備的散熱器和散熱器之間的帶子數量能夠更有效地控製其中心管的溫度，同時防止在進料過程中熔化的絲(si) 材回流。

通過模擬，工程師們(men) 還發現，在降低重力的情況下打印會(hui) 導致材料自身附著在係統的內(nei) 管上，增加摩擦並可能造成堵塞。為(wei) 了解決(jue) 這個(ge) 問題，該團隊反複修改了這一部分，然後提出了一種設計，用於(yu) 提高其熱傳(chuan) 導效率，使其能夠在高達 400°C的熱量下運行。

最後，研究人員設計了一個(ge) 數學模型，該模型證明了引入“模糊PI控製模塊”將為(wei) 他們(men) 的係統帶來的好處。該設備本質上是作為(wei) 故障保護裝置，在溫度達到380°C時會(hui) 自動啟動以防止過熱和修複錯誤。

下一步，工程師們(men) 將在物理真空室中進行測試。將來，如果他們(men) 的打印機要找到最終用途的應用程序，該團隊相信他們(men) 無需通過額外發射衛星進行維修來幫助“降低太空探索的成本和時間”。

Redwire現在已經在國際空間站上安裝了幾台3D打印設備，包括其Regolith Print
照片來源：Redwire

增材製造在軌應用   

太空中的3D打印聽起來像是科幻小說領域的東(dong) 西，但該技術之前已經在美國宇航局的國際空間站 (ISS) 上進行了行星外測試。該領域的領先者之一是Made In Space，它現在是Redwire的子公司，該公司去年在軌道基地上安裝了一個(ge) 新的陶瓷3D打印模塊。

該公司的技術也將安裝在Blue Origin和Sierra Space即將推出的商業(ye) “軌道礁”空間站上。新基地定於(yu) 2026年發射，預計將作為(wei) “混合用途商業(ye) 園區”，同時進行“太空製造”的持續微重力研發和實驗生產(chan) 測試。

與(yu) 此同時，在慕尼黑應用科學大學，研究人員采用了與(yu) 澳大利亞(ya) -中國團隊類似的方法，並開發了一種軌道衛星3D打印機。該係統旨在減少將維修設備發射到太空的需要，未來可以在零重力條件下構建整個(ge) 太陽能電池板或天線相關(guan) 部件。

研究人員的研究結果在題為(wei) “在軌3D打印平台的擠壓和熱控製設計”的論文中有詳細介紹，該論文由Jianning Tang、Trevor Hocksun Kwan 和 Xiaofeng Wu合著。