導讀：航空航天材料因為需要經受特殊的太空環境，需要具有抗輻射、耐高溫和耐磨性。在3D打印領域，制造商通常會選用PEEK材料進行改性。波蘭zortrax為Endureal 工業 3D 打印機開發超強太空級長絲Z-PEEK，且已在近地軌道及更遠的空間環境中成功測試。

南極熊獲悉，波蘭 3D 打印機制造商Zortrax于2021年5月31日推出了新型太空級3D打印長絲：Z-PEEK。據悉，Z-PEEK 的強度重量比與不銹鋼相當，能夠承受極端溫度。Z-PEEK制成的聚合物-金屬齒輪副能夠以 1600 轉/分鐘的速度工作，并被發射到國際空間站，在沒有屏蔽的情況下暴露在太空環境中46 個月。目前，Zortrax已將材料制成適配于Endureal工業 3D 打印機的長絲。

△用Z-PEEK打印的航天器萬向節抗輻射軸承環。照片來自 Zortrax。

Z-PEEK材料

經測試，3D打印Z-PEEK的拉伸強度為100MPa，斷裂伸長率為28%，彎曲強度為130MPa。耐輻射、耐極端溫度和長期磨損。據 Zortrax稱，材料已在歐洲航天局（ESA）位于荷蘭的ESTEC通過熱真空空間資格測試。測試中，Z-PEEK 在-70°C~130°C 之間進行了 500 次循環，測試結果對結構或機械性能沒有不利影響。而快速冷卻測試結果表明，材料能夠承受低至-196°C的低溫。

△Z-PEEK足夠堅固，可在負載下高速運行齒輪。照片來自 Zortrax。

其他研究證實，在聚合物-金屬滑動系統中，Z-PEEK在 1600 rpm、1 Nm 負載下進行了超過 2200 萬次循環測試。并且產生的碎屑很少，使用壽命超過了同類產品。Z-PEEK還具有出色的耐化學性，可以與各種潤滑劑一起使用，確保機械設備順利運行。此外，材料能夠承受很大壓力并且具有特別低的滲透性。能夠作為化工或石油工業中泵、密封件或墊圈材料。

△耐壓泵：分離式支撐結構可以搭配使用Z-PEEK與Z-SUPPORT HT。

目前，Zortrax 正在使Z-PEEK 可在 Endureal 機器上使用，并與Z-SUPPORTHT支撐材料配合打印。公司建議在使用材料之前采用自動干燥程序，并在打印完成后采用自動退火過程。這兩個步驟都可以用 Endureal打印機執行。

3D打印的太空挑戰

太空不同于地球，沒有空氣、沒有對流、沒有傳熱過程，環境熱量分布極其不均勻。近地球軌道上的航天器面對太陽的表面暴露在高達140 °C 的溫度下，而背對太陽的表面冷卻至 -100 °C。因此，對材料的需求特別具有挑戰性。太空材料需要同時承受兩種極端溫度，在極熱和極冷條件下都能夠正常工作，并且能夠適應溫度的快速變化。另外，因為宇宙中的輻射問題，在為空間應用選擇材料時，長期輻射、原子氧轟擊和發射過程中暴露在外的強振動部件等因素都需要考慮在內。

△3D 打印 PEEK 墊片：Z-PEEK打印的石油行業管道密封件。

為了測試 PEEK 的太空準備情況，日本航天局JAXA將Z-PEEK樣品發射到國際空間站并進行了徹底的測試。作為 MPAC 和 SEED 實驗的一部分，在軌道上，測試樣品在沒有任何屏蔽的情況下暴露在太空環境中長達46 個月。更重要的是，樣品被放置在支架中，施加不同程度的應力，以檢查空間條件是否對 PEEK 機械性能有任何影響。檢查后，除了輕微變色和脆性增加外，PEEK 沒有任何明顯降解跡象。材料的彈性模量因為在高水平紫外線照射下有所降低，而然原子氧轟擊、帶電粒子和其他條件對PEEK 沒有影響。這表明Z-PEEK 能夠勝任各種太空任務。

△Zortrax的 Endureal 系統，用于 3D 打印 Z-PEEK 零件。照片來自 Zortrax。

從遠古時代開始對于太空探索就有著無可比擬的熱忱，3D打印技術的出現有望降低太空探索的成本，成為走向太空的一大利器。NASA已經計劃使用大型3D打印技術制造火箭發動機；美國德州的火箭工程實驗室也受到EOS的支持制造3D打印火箭發動機組件；加州火箭和導彈推進器制造商Aerojet Rocketdyne更是在2021年5月完成了RL10C-X上層火箭發動機的熱火測試。3D打印技術還在其他方面對太空探索做出貢獻：上海復志Raise3D為SpaceX火箭回收再發射提速；ICON為美國阿爾忒彌斯登月計劃學生建造3D打印火箭發射臺。為加速3D打印在太空中的應用，各個國家正在積極部署、開發新型太空工業級3D打印系統。例如，英國太空發射公司Orbex委托AMCM建造歐洲最大SLM 3D打印機，歐洲航天局ESA與德國航空航天公司OHB和Azimut Space、愛爾蘭共和國阿斯隆技術學院以及葡萄牙3D打印機提供商BEEVERYCREATIVE積極開發無限尺寸FFF高溫3D打印機。而太空3D打印制造公司Redwire也隨著發展浪潮在紐交所SPAC上市。南極熊相信，3D打印技術在未來會更加深入航空航天領域，為人類的太空事業做出貢獻。

參考資料

1. Z-PEEK: Space-Grade 3D Printing Filament
2. 3D打印推動太空探索的成本下降，將成為人類走向太空的一大利器
3. NASA將會使用大型3D打印技術來制造未來的火箭發動機
4. EOS支持德州大學學生參加太空挑戰賽，3D打印火箭發動機組件
5. 完成熱火測試！3D打印火箭發動機有望飛向太空，AerojetRocketdyne
6. 上海復志Raise3D為SpaceX火箭回收再發射提速
7. ICON為美國阿爾忒彌斯登月計劃學生建造3D打印火箭發射臺
8. 打印火箭！英國太空發射公司Orbex委托AMCM建造歐洲最大SLM 3D打印機
9. 太空制造：無限尺寸高溫FFF 3D打印機，歐洲航天局資助
10. 太空3D打印制造公司Redwire將借殼在紐交所上市

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