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科技前沿:3D打印大爆发,阿尔忒弥斯计划的首次发射任务再次推迟

9月3号,美国国家航天局(NASA)宣布阿尔忒弥斯计划的首次发射任务再次推迟。阿尔忒弥斯计划是继阿波罗之后的第二个人类登月计划。

你知道,人类上一次登上月球,还是在1972年,当时阿波罗17号载着3位美国宇航员完成了第16次,也是最后一次载人登月任务。从那时到现在整整半个世纪过去了,还没有人类再次登月。按照原本的安排,阿尔忒弥斯计划的首次发射是2017年,因为各种原因一推再推。现在5年过去了,结果又一次推迟发射。看来,人类想要重返月球还真是不容易。

对于推迟发射的原因,NASA称,是火箭出现了液态氢燃料的泄漏问题。这次发射使用的是一款全新的、NASA自己研发的叫做SLS的重型火箭。这次发射也是这款火箭的首飞任务。从技术上说,液态氢燃料温度很低,在加注的时候火箭会发生明显的收缩,确实容易导致燃料从缝隙漏出去。但是,花了这么多的时间和经费,这款SLS重型火箭还没能完成首飞,引发了美国国内的很多议论。

消息就是这样,来看看能学到什么知识。

与这件事形成鲜明对比的是,就在9月11号,SpaceX成功进行了第54次发射,执行任务的猎鹰九号火箭已经是第14次使用,再次刷新了火箭重复利用的世界纪录。为什么猎鹰九号的生产成本更低,而性能比NASA的火箭更靠谱呢?一个重要因素是,猎鹰九号在研发的时候,敢于大胆尝试前沿技术,比如3D打印。

猎鹰九号中用来控制液氢液氧的阀门和管道,就用了3D打印。零件可以一体成型,提高了结构强度和密封性,就不容易出现燃料泄漏问题;同时也大大降低了制造成本。

在很多人的印象里,3D打印只是用来制作塑料模型的小众技术。其实在过去几年里,3D打印无论是应用广度还是研究深度都大大拓展。我想向你重点报告一下目前3D打印技术的两大发展方向。

本质上,3D打印是一种材料成型工艺。根据材料类型的不同,可以分为结构材料和功能材料两个方向。结构材料方向,就是主要利用材料的力学性能,打印出更轻、更强、更耐用的结构。功能材料方向,就是主要利用材料的发光、放电、传热等功能特性,把这些特殊的功能材料打印成型。

先来说结构材料。刚刚提到的火箭里面用的3D打印阀门,或者植入人体的3D打印骨骼、牙齿,其中所使用的金属、陶瓷等就是结构材料。研究人员的探索方向,就是打印出更轻、更强、更耐用的结构。

比如9月1号,香港城市大学在学术期刊《物质》上发表了一篇论文。他们打印出了一种新材料,强度跟木材差不多,而密度只有木材的一半,而且还具有高延展性,能压缩将近50%,很适合作为缓冲材料,用在减震跑鞋、缓冲头盔等产品中。

他们使用的工艺也并不复杂,就是用常见的聚乙二醇(PEG)作为原材料,用3D打印加工成一种由几百微米大小的网格排布而成的立体结构。有意思的地方在于,他们把打印出来的聚合物做了二次加工。利用一种新的热处理工艺,把材料放在惰性气体中加热,让一部分材料碳化。这样,在材料内部就形成了一种由聚合物纤维、石墨烯等交叉而成的复合状态。实现了又轻又柔韧的材料特性。

 

再来看第二个研究方向,功能材料。很多可以发光、放电、传热的材料,化学结构都比较敏感,很容易在3D打印所需要的高温、光照条件下被破坏。所以,研究重点就是怎么优化工艺,怎么把这些敏感材料打印成型。

同样在9月1号,清华大学在《自然》杂志上发表了一篇论文,研究人员用一种叫“量子点”的材料打印出了3D模型。“量子点”是一种直径在纳米量级、颗粒状的荧光材料。现在有一种“量子点液晶电视”,就是用这种材料实现的彩色荧光。

这种量子点材料在传统的工艺中只能进行平面加工,很难构成立体结构。也就是,只能构成二维的荧光图片,而不能形成三维的荧光模型。在这篇论文中,研究人员开发出了一种全新的3D打印工艺,以几十纳米的超精细分辨率,把量子点材料加工成各种立体模型。

怎么做到的呢?要让这种材料可以被3D打印,就必须在分子层面着手,设计一种化学键机制,把量子点颗粒给“粘”起来。研究人员就在量子点颗粒的周边,添加了如同粘钩一样的化学结构。在一种特殊的激光照射下,量子点颗粒就会以纳米级的分辨率相互粘接起来。通过不断移动光的聚焦点,就可以像画画一样,在含有量子点颗粒的溶液里打印出一个立体结构。

研究人员通过这种工艺,打印了清华大学的校门、大礼堂等立体模型,它们都保留了量子点材料的荧光功能。这种技术有啥用呢?未来,可以用这种工艺来打印各种光电传感器,市场空间非常大。

你看,从高性能的结构材料,到各种独特的功能材料,3D打印正在掀起新一轮的先进制造革命。有人说,3D打印对于21世纪制造业的意义,就相当于福特流水线对于20世纪制造业的意义,带来的是颠覆性变革。对这一领域的进展,我们会为你持续关注。

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