北達(dá)科他大學(xué)（UND）的研究人員獲得了美國(guó)航天局75萬(wàn)美元的贈(zèng)款，用于開(kāi)發(fā)一種3D打印航天服。

與來(lái)自馬歇爾、約翰遜和肯尼迪航天中心的工作人員一起工作，北達(dá)科他大學(xué)空間研究系教授兼主任Pablo de León將對(duì)這一概念的可行性進(jìn)行為期三年的研發(fā)項(xiàng)目。這款增材服裝將被設(shè)定為‘NDX-3’的帶好，將使用柔性聚合物的組合進(jìn)行制造，并最終通過(guò)動(dòng)作捕捉測(cè)試與傳統(tǒng)航天服進(jìn)行對(duì)比。

“到目前為止，所有的抗壓力和太空服都是使用傳統(tǒng)的縫紉技術(shù)制造的，”León解釋說(shuō)。“它們需要非常熟練的縫紉工匠的數(shù)千小時(shí)來(lái)建造一件太空服，而且它們也非常脆弱。重新思考宇航服的制作方式是很重要的，我們已經(jīng)潛在地發(fā)現(xiàn)3D打印可以幫助解決這個(gè)問(wèn)題。”

“在我們進(jìn)入低地軌道時(shí)，宇航員將需要一種可靠的方法來(lái)修理和調(diào)整他們的裝備。”

從縫紉向制造轉(zhuǎn)型

在過(guò)去的七十年里，宇航服基本上都是以同樣的方式建造的，利用傳統(tǒng)的縫紉技術(shù)將一塊塊聚氨酯尼龍、各種金屬和可穿戴聚合物縫合在一起。這個(gè)過(guò)程需要熟練的縫紉工匠花費(fèi)數(shù)千小時(shí)才能完成，與現(xiàn)代航天標(biāo)準(zhǔn)相比，即使是成品服裝也是古老的技術(shù)。

更重要的是，這種太空服的性價(jià)比并不高，每件的制作成本在200萬(wàn)美元左右，而且由于是為每個(gè)宇航員量身定做，通常也不能重復(fù)使用。幾年前，UND開(kāi)始與NASA合作，改變宇航服的制作方式，目的是設(shè)計(jì)一種增強(qiáng)型的、更具成本效益的替代設(shè)計(jì)。

雖然德萊昂教授和他的教師們已經(jīng)在這個(gè)項(xiàng)目上工作了一段時(shí)間，但他們最近選擇將3D打印融入加壓服的設(shè)計(jì)中。當(dāng)團(tuán)隊(duì)考慮到深空探索的前景時(shí)，他們才改用快速成型制造，并因此獲得了NASA的合同。

“在火星上和更遠(yuǎn)的地方，宇航員不會(huì)奢望在他們的行星棲息地有一支裁縫師或縫合師的軍隊(duì)來(lái)照顧他們的宇航服，向任務(wù)控制中心索取零件需要一年以上的時(shí)間。”德萊昂教授解釋說(shuō)。

“所以，我們將嘗試做的，是主要使用3D打印來(lái)制造可加壓的太空服，”他補(bǔ)充道。“美國(guó)宇航局已經(jīng)決定資助我們的實(shí)驗(yàn)室，因?yàn)橛锌赡苓@可以改變未來(lái)制造太空服的方式，并幫助減少 ”對(duì)地球的依賴(lài)“，這是航天局的目標(biāo)之一。”

UND雄心勃勃的新型3D打印航天服

在為期三年的美國(guó)宇航局合同中，UND團(tuán)隊(duì)將通過(guò)開(kāi)發(fā)和3D打印一件完整的服裝，評(píng)估快速制造技術(shù)在太空服設(shè)計(jì)中的潛力。雖然研究人員仍處于設(shè)計(jì)過(guò)程的早期階段，但他們已經(jīng)對(duì)其理想的外觀進(jìn)行了建模，并進(jìn)行了大量的材料評(píng)估。

起初，該團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)因 “過(guò)于綠色 ”而被拒絕，但他們改進(jìn)了技術(shù)，使用一系列不同的柔性長(zhǎng)絲打印和壓力測(cè)試部件，現(xiàn)在NASA已經(jīng)要求提供完整的原型。隨著項(xiàng)目的進(jìn)展，UND的空間部門(mén)將與NASA更緊密地合作，以匯集專(zhuān)業(yè)知識(shí)，并利用該機(jī)構(gòu)的先進(jìn)3D打印技術(shù)。

“過(guò)去，我們與NASA的中心關(guān)系非常密切，對(duì)于這個(gè)特殊的項(xiàng)目，我們將需要他們的專(zhuān)業(yè)知識(shí)、投入和專(zhuān)業(yè)設(shè)備，”León說(shuō)。“幾十年來(lái)，NASA一直是3D打印領(lǐng)域的先驅(qū)。它擁有一些最先進(jìn)的設(shè)備和最好的專(zhuān)家，幫助我們解決這個(gè)項(xiàng)目中會(huì)發(fā)現(xiàn)的一些問(wèn)題。”

“我們將與MARSHALL、JOHNSON和KENNEDY航天中心合作，因?yàn)樗麄冊(cè)谖覀儗⒂糜陂_(kāi)發(fā)原型，以及打印原型的設(shè)備等多個(gè)領(lǐng)域都有專(zhuān)長(zhǎng)。”

一旦團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了他們的增材原型，他們將對(duì)其進(jìn)行一系列的動(dòng)作捕捉測(cè)試，以比較其與傳統(tǒng)飛行服的性能。鑒于該服裝是為了在火星上使用而設(shè)計(jì)的，運(yùn)動(dòng)捕捉測(cè)試將模擬外太空的條件，使研究人員能夠準(zhǔn)確測(cè)量其可靠性。

諸如宇航服的靈活性、機(jī)動(dòng)性和行走運(yùn)動(dòng)學(xué)等因素都將在期間被密切監(jiān)測(cè)，以確保宇航服盡可能地易于移動(dòng)。在項(xiàng)目后期，將利用身體掃描技術(shù)制作定制化的原型，設(shè)計(jì)出 “完全適合 ”未來(lái)宇航員的太空服。

“我們覺(jué)得，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間的太空飛行來(lái)說(shuō)，擁有一套完全適合你的、為你量身定做的太空服，比采取‘一刀切’的方式更好。”德萊昂教授總結(jié)道。“如果采用傳統(tǒng)技術(shù)，成本會(huì)很高，而且非常困難，但使用增材制造技術(shù)，你就可以做到這一點(diǎn)。”

NASA的3D打印前輩們

多年來(lái)，NASA委托了一些研究項(xiàng)目，研究3D打印在制造宇航服方面的潛力，并一路開(kāi)發(fā)出各種原型。

早在2015年，NASA就宣布其Z-2原型宇航服將采用3D掃描和快速成型技術(shù)生產(chǎn)。該太空服本身的設(shè)計(jì)是由高耐久性復(fù)合材料制成，以實(shí)現(xiàn)更大的機(jī)動(dòng)性，并保護(hù)穿著者免受太空惡劣環(huán)境的影響。

最近在2018年1月，奧地利空間論壇（OeWF），對(duì)宇航服進(jìn)行了測(cè)試，作為為期一個(gè)月的模擬火星實(shí)地任務(wù)的一部分。作為評(píng)估的一部分，來(lái)自全球25個(gè)國(guó)家的科學(xué)家前往阿曼的一個(gè)貧瘠地區(qū)，模擬紅色星球的條件。

在其他地方，美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)工程師勞爾-波利特-卡西利亞斯（Raul Polit-Casillas）概述了類(lèi)似鏈?zhǔn)?D打印材料的潛在航空航天應(yīng)用。根據(jù)這位技術(shù)人員的說(shuō)法，添加劑織物既可以作為航天器的屏蔽裝置加以利用，也可以縮小規(guī)模，以宇航服的形式為宇航員提供保護(hù)。