想象一下，一队宇航员前往火星。在距离地球约1.4亿英里的地方，他们发现飞船的O形圈破裂了。但是，如果他们不必依赖日益减少的备用零件，而是能够按需制造所需的任何零件，情况会怎样？
由博士生Taylor Waddell领导的伯克利研究团队可能已经朝着实现这一目标迈出了一大步。6月8日，作为Virgin Galactic 07任务的一部分，他们首次将3D打印技术送入太空。他们的下一代微重力打印机（称为 SpaceCAL）在VSS Unity太空飞机上在亚轨道空间停留了140秒。在这短短的时间内，它自主3D打印并后处理了总共四个测试部件，包括航天飞机和使用名为PEGDA的液态塑料制成的台式小雕像。
“SpaceCAL在过去的抛物线飞行测试中在微重力条件下表现良好，但它仍有一些需要证明的地方，”Waddell 说。“这项最新任务由NASA的飞行机会计划资助，并得到了伯克利工程公司和伯克利航天中心的支持，让我们能够验证这项3D打印技术是否已准备好用于太空旅行。”
他补充道：“我们希望有一天它可以用于制造一切东西，从航天器的零件和工具到机组人员的新隐形眼镜和牙冠。”
VSS Unity上的SpaceCAL 3D打印机，预计于2024年6月8日发射
3D打印，又称增材制造，自20世纪80年代首次获得专利以来，已经取得了长足的发展。机械工程副教授Hayden Taylor带领一支由加州大学伯克利分校和劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 研究人员组成的团队于2017年发明了计算轴向光刻(CAL) 技术。这种新型增材制造技术利用光将粘稠液体塑造成固体物体，扩大了可打印几何形状的范围，并显著提高了3D部件的打印速度。它在微重力条件下运行良好，为与太空探索相关的应用打开了大门。
CAL技术也是吸引Waddell来到伯克利攻读机械工程博士学位的原因。作为威斯康星大学麦迪逊分校的本科生和NASA的Pathways工程师，Waddell对3D打印非常着迷——因为它似乎能够将想法转化为实物，而且价格实惠、方便易用。
在了解到CAL后，他联系了泰勒，并很快来到了伯克利。在那里，他在泰勒的实验室里度过了无数个小时，与其他学生研究员一起研究如何利用这项技术造福大众。
迈向新高度
CAL与其他3D打印技术相比，速度快得惊人（仅需20秒便可打印零件），效率也高。CAL可让宇航员在紧急情况下按需快速打印零件，因此在长期太空任务中，宇航员无需携带数千个备用零件。
沃德尔说：“通过引入制造技术，你可以减少质量，加快任务进度，并降低风险。”
此外，CAL独特的在微重力条件下3D打印的能力使工程师能够探索从太空进行3D打印的极限。
由SpaceCAL 打印的航天飞机模型，在微重力环境下漂浮，经过全面后期处理
沃德尔说：“借助CAL，我们能够证明——首先是在零重力任务中，现在在这次太空飞行中——我们可以在微重力条件下打印地球上无法实现的部件。”
到目前为止，CAL已经证明它可以成功打印地球上60多种不同的材料，例如硅胶、玻璃复合材料和生物材料。据Waddell称，这种多功能性对机舱和机组人员都很有用。
“因此，有了舱室，如果你的航天器出现故障，你可以打印O形环或机械支架，甚至工具，”他说。“但 CAL 还能够修复机组人员。我们可以打印假牙、皮肤移植物或镜片，或为宇航员打印个性化的急救药品，这在这些任务中也非常重要。”
将来，CAL可能用于打印更复杂的部件，例如人体器官。LLNL已获得 NASA 的资助，将在国际空间站上测试这项技术。
“他们基本上会在空间站上进行生物3D打印，”沃德尔说。“而长期目标是利用 CAL 在太空中打印器官，然后将它们带回地球。”
接下来，沃德尔和他的同事希望与NASA合作开发和验证能够支持机组人员健康和保健的单一物体，例如宇航员的牙冠或手术伤口闭合工具。
美国宇航局艾姆斯研究中心的SpaceCAL团队成员正在进行环境测试（从左到右）：Dillon Balk、Sean Chu、Ameera Elgonemy 和 Brian Chung
“这些实验的重点是推动技术进步，造福所有人，”沃德尔说。“尽管这些实验是为了太空，但地球上的人们总能以无数种方式从中受益。”
这也是伯克利航天中心计划在其目前正在开发的占地36英亩的新园区内开发的技术类型。伯克利航天中心将成为创新和创业的家园，汇集NASA和加州大学伯克利分校开发并通过私营企业商业化的技术。“想象一下这样一个地方，私营公司可以采用泰勒·沃德尔创造的发明，并让这些重要发现走出实验室，进入公共领域，”加州大学名誉董事、加州大学伯克利分校伯克利航天中心开发工作负责人达雷克·德弗里斯 (Darek DeFreece) 说。“当我们观看具有历史意义的维珍银河07号飞行时，我们都欢呼雀跃。”
共同努力
从很多方面来看，6月8日的太空任务是海登·泰勒纳米制造实验室全体学生多年研究的结晶。他们齐心协力，不断突破一项相对较新的技术的界限，探索其潜力。
“这个项目是由许多人组成的团队共同完成的，”沃德尔说，其中包括学生研究员Dillon Balk、Skyler Chan、Sean Chu、Brian Chung、Ameera Elgonemy、Jacob Gottesman、Anthony Moody、Jake Nickel、Dylan Potter、Austin Portinause、Anusri Sreenath和Audrey Young。
他还感谢他的导师给予的关键支持和积极参与CAL技术发展的机会。
SpaceCAL团队成员在维珍银河发射场（从左到右）：Sean Chu、Jake Nickel、Austin Portinause、Taylor Waddell 和 Brian Chung
“Hayden是最好的PI之一。他让我负责选择要将这项研究推进到哪里，”Waddell 说道。“在执行他的最后三次SpaceCAL任务时，他让我领导他们，从决定雇用谁、我们想要研究什么到规划整个行程。他真的让我做我最热衷的事情，并利用他作为资源来实现这一目标。”
该项目得益于NASA提供的140万美元资助和工程支持。此外，维珍银河在将该项目推向新高度方面发挥了关键作用。
“维珍银河团队在每一步都给予我们帮助，特别是在准备火箭发射的那一周，”沃德尔说。“有很多优秀的工程师和热情的员工希望确保我们取得成功。”
