如果您希望在工作中看到科幻小说，请访问一家现代化的机械车间，在那里3D打印机可以制作几乎可以想象的任何形状的材料。NASA正在探索这项技术，该技术被专业工程师称为增材制造，用于建造火箭发动机以及月球和火星上的潜在哨所。不久的将来是一个不同的里程碑：NASA的毅力漫游者号于2021年2月18日降落在红色星球上，载有11种用3D打印制成的金属零件。

3-D打印不需要锻造，模制或切割材料，而是依靠激光熔化连续层中的粉末以使物体成形。这样做可以使工程师发挥独特的设计和特质，例如使硬件更轻，更坚固或对热或冷作出反应。

“这就像与纸莎草纸一起工作，”位于南加州的NASA喷气推进实验室的增材制造部门负责人Andre Pate说。“您逐层构建每个要素，很快您就会获得详细的部分。”

坚持不懈的好奇心是将3D打印带入《红色星球》的第一个任务。它于2012年降落，带有3D打印的陶瓷零件，位于流动站的火星样品分析(SAM)仪器内。此后，NASA继续测试用于航天器的3D打印，以确保人们清楚地了解零件的可靠性。

作为“二级结构”，毅力的印刷零件如果不按计划工作，不会危及任务，但正如佩特所说，“将这些零件运送到火星是一个巨大的里程碑，这为在美国进行增材制造提供了更多机会太空工业。”

PIXL的外壳是NASA恒心火星探测器上的仪器之一，包括几个由3D打印钛制成的零件。插图显示了完成的两件式外壳零件的前半部分。图片来源：NASA / JPL-Caltech

PIXL的外壳

在送往火星的11个印刷零件中，有5个在恒心的PIXL仪器中。饭盒大小的设备是X射线岩石化学行星仪器的缩写，它将通过在岩石表面发射X射线束进行分析，从而帮助流动站寻找化石微生物生命的迹象。

PIXL与漫游车7英尺长(2米长)机器人手臂末端的88磅(40公斤)旋转炮塔中的其他工具共享空间。为了使仪器尽可能轻巧，JPL团队设计了PIXL的两件式钛金属外壳，一个安装框架和两个支撑杆，该支撑杆将外壳固定到手臂的末端是空心且非常薄。实际上，这些零件是由一家名为Carpenter Additive的供应商进行3-D打印的，其质量比常规生产的质量少三到四倍。

JPL的PIXL首席机械工程师Michael Schein说：“从非常真实的意义上讲，3D打印使该仪器成为可能。“这些技术使我们能够实现传统制造所无法实现的低质量，高精度指向。”

此X射线图像显示了Perseverance的MOXIE仪器内部3D打印的部件的内部。火星的空气将被带入该部分中心的细小通道内，在此处对其进行预热。此类X射线图像用于检查零件内部是否存在缺陷;在这种情况下，工程师检查以确保通道中没有3D打印粉末。图片来源：NASA / JPL-Caltech

MOXIE提高了热量

毅力的其他六个3D打印零件可以在名为“火星氧气现场资源利用实验”或MOXIE的仪器中找到。该设备将测试未来会产生工业量氧气以在火星上产生火箭推进剂的技术，从而帮助宇航员返回地球。

为了产生氧气，MOXIE将火星空气加热到接近1,500华氏度(800摄氏度)。该设备内有六个热交换器-掌心大小的镍合金板，可保护仪器的关键部件免受高温的影响。

尽管传统上需要机械加工的热交换器需要由两部分制成并焊接在一起，但是在附近的Caltech上，MOXIE的每张3D打印件都以单张3D打印方式进行管理，后者负责管理NASA的JPL。

JPL的材料工程师萨马德·菲尔多西(Samad Firdosy)表示：“这些镍零件被称为超级合金，因为它们即使在非常高的温度下也能保持强度。” “超级合金通常存在于喷气发动机或发电涡轮机中。即使在高温下，它们也确实能很好地抵抗腐蚀。”

尽管新的制造工艺提供了便利，但打印机放下的每一层合金都可能形成会削弱材料强度的孔隙或裂纹。为避免这种情况，在热等静压机(气体破碎机)中对板进行了处理，该板将材料加热到超过1,832华氏度(1,000摄氏度)，并在零件周围均匀地施加了很大的压力。然后，工程师使用显微镜和大量机械测试来检查换热器的微观结构，并确保它们适用于太空飞行。

“我真的很喜欢微观结构，” Firdosy说。“让我看到印刷材料时的那种细节，以及它如何演变成能飞向火星的功能部件，这非常酷。”