星际殖民和开发宇宙空间：3D打印的新潜力

太空3D打印可以显著加快开发地球外空间的速度；增材制造技术也正在积极渗透到火箭制造行业。

2020年5月30日，参加了Crew Dragon航天器和猎鹰9号火箭发射的宇航员罗伯特·贝肯和道格·赫利的头盔是使用3D打印技术量身定制的。

SpaceX航空航天公司的负责人埃隆·马斯克表示，使用3D打印，可以制造耐用的高性能发动机零件，而花费的时间和资金只是使用传统制造方法的一小部分。还在2014年，SpaceX就已经制造出首个3D打印构件。

“蓝色起源”航空航天公司杰夫·贝佐斯使用增材制造技术打印BE-4发动机组件。来自美国（相对论空间）和英国（奥贝克斯）的年轻火箭公司也计划充分利用3D打印机的可能性。

提高3D-构件的安全性

与此同时，3D打印的构件，即使存在最细微的缺陷，对于所创建设备的安全性也至关重要。国立研究型技术大学MISIS（NUST MISIS）的科学家们能够改善铝的3D打印技术，使产品的硬度提高了1.5倍。

NUST MISIS的研究人员认为，此类缺陷的主要风险是材料的高孔隙率，其原因之一是原始铝粉的特性。为了确保打印产品的微观结构均匀且致密，科学家提出了向铝粉中添加碳纳米纤维的方法，以确保材料的低孔隙率并使其硬度提高1.5 倍。研究结果发表在《Composites Communications》杂志上。

NUST MISIS的教授亚历山大·格罗莫夫介绍说："碳纳米纤维具有高导热性，有助于在产品合成过程中，在选择性激光熔化阶段最小化打印层之间的温度梯度。因此，材料微观结构的不均匀性几乎可以完全消除。”  

所使用的碳纳米纤维是加工油田伴生气的副产品。在其催化分解过程中，碳以纳米纤维的形式积聚在催化剂分散的金属颗粒上。科学家们还指出，通常伴生气在油气田“放空燃烧”，对环境造成危害，因此使用这种新方法具有重要的环保意义。

优化“太空制造”

埃隆·马斯克和其他专家们确信，3D打印可助力未来的太空开发，例如殖民火星。

要在火星上生存，就需要能够在那里开始生产，并且最好利用当地的材料。 3D打印机可被用来建基地，并在那里构建生存环境。

即使是现在，在国际空间站（ISS）的工作中，获取材料的问题也仍然很严重，下一艘货运飞船宇航员不得不等几个月。有时侯重要的小零件损坏或丢失，例如，电触头的塑料插头经常丢失。在这种情况下， 3D打印机在太空打印塑料产品可以解决此问题。 未来，在星际飞行期间，可获得性问题将变得更加尖锐，对这种打印机的需求必将增加。

2016年，NASA委托Made in Space公司在国际空间站安装一台永久的3D打印机，以生产宇航员可能需要的工具、设备和其它任何东西。随后，一些欧洲、中国和其它的公司也宣布制造类似的机器。

研制3D打印机的研究人员，托木斯克理工大学（TPU）的科学家表示，俄罗斯生产的3D打印机将于2021年进入太空，其优势是一个更先进的模块化系统，能够实现设备升级和维修。因此，当3D打印材料从简单的塑料转向超结构或复合材料时，工程师将不必像今天美国同事那样制造新的打印机，然后将其交付给 ISS使用。

TPU现代生产技术科学和生产实验室负责人瓦西里·费多罗夫说："现在，3D 打印机的工作布局进入最后阶段。对发送到 ISS 的设备在耐机械、气候和其它负载方面有严格的要求。此外，要确保3D打印机对宇航员绝对安全。现在，所有这一切都在检查中，进行了一系列测试和检验。同时，对专门为该打印机设置的软件进行改进。”

为纳米卫星创建超轻型光学系统

光学系统的核心是在大学研制出的平面衍射透镜，它具有独特的特性。 基于这种透镜的镜头取代了现代远射镜头的透镜系统，其特性是重量轻（与光学部件一起重量小于100克）和尺寸微小。

该镜头具有创新的仿生形状外壳，采用最佳技术设计，在保持强度特性的同时最大限度地减轻重量。 航天器部件复杂的外部形状和内部结构是在SLM280HL选择性激光融合设备上进行3D打印的。

据科学家介绍，为了尽量减轻部件的重量，在其内部结构中进行了拓扑优化，其结果是增加了特殊的蜂窝块。 部件的尺寸为70×80×100毫米，由于使用增材制造技术，其重量比传统方法制造的类似部件减轻了约40％。

萨马拉大学发动机生产技术教研室副教授维塔利·斯梅洛夫介绍说："该透镜的外壳由AlSi10Mg铝合金粉末制成。 俄罗斯生产的合金在俄罗斯国内外都享有盛誉。 在航天和航空领域，重量是主要特性，业内一直都在设法降低该指标"。

科学家们对原始结构进行了多阶段拓扑优化，获得并分析了几种形式。

萨马拉大学研究员安东·阿加波维奇夫表示："我们与CADFEM CIS拓扑优化和增材制造技术领域的专家合作，进行了大量工作，以获得一种新型结构形式，满足世界航天工业公司的现代要求。“

据科学家介绍说，同类产品，比如立方体卫星壁虎成像仪（Gecko Imager）的镜头，其价格是2万3千欧元，而他们正在开发的光学系统的价格将会低得多。

在国家“教育”项目框架内实施的“ 5-100”计划旨在帮助俄罗斯大学增强科研潜力，提高在全球教育服务市场中的竞争地位。