(2021-03-09)每年要送3千公斤補給品、儲存站內1萬3千公斤零備件及地面儲存1萬7千公斤儲備物資到國際太空站,3D印刷出現後,補給將更方便...

3D印刷,不是印出一張報表,是「印」出有用的實物!(圖片來源:Pixabay)

(2021-03-09)國際太空站(ISS)經十年建造,進駐太空人已經二十年了,為了太空人的生活、工作、健康,每年要送去3,000公斤補給品,另外儲存站內的還有13,000公斤的零備件,以及在地面儲存的17,000公斤儲備物資,準備需要時隨時起飛。太空站距地面400公里,補給還算方便,未來月球、火星的太空旅程,勢必攜帶大量貨物,成為一大挑戰。

這一挑戰在3D印刷(3D Printing)出現之後有了轉機,利用這種加料(Additive)製造技術,臨時現做需要的機件。

 

製造業很多是削減材料製成最後成品,3D印刷是加添材料堆積成型,概念與我們常用的電腦噴墨列印設備類似,不同的是噴墨列印把墨印到一張紙上,3D印刷則噴出各種材料,一層層向上「立體」堆積成我們需要的物件,雖然仍沿用「印」這個字,實際上是實物的製造。

一家名叫Made in Space的公司,製造Zero-G 3D印刷機,拿到太空站實驗,「印」出了一個塑膠扳手,從此展開六年的連續實驗,在太空站印製的樣品都拿回地面,比較與地面印製的品質,然後再把新的設計圖傳回太空站繼續印製。

實驗的一大項目是在微重力下3D印刷機械是否正常運作,結果認為影響有限,證明在太空的0重力下仍然可行。(太空站距地球近,仍有微量重力)

下一步是將一台固定式的3D印刷機嵌在太空站艙壁,好像廚房崁入一台微波爐,印製各種物件與地面表比較,包括製作SPHERE,這是18邊球狀小型衛星,供艙內漂浮運作。

這台3D印刷是以工業塑膠做材料,將塑膠線加熱融化,從噴頭連續滴出堆積成型。印製數量多了以後,不用的是否能融化再用,就成為研究焦點。Made in Space又送了一台回收機到太空站,實驗什麼材料最適合回收再用,可以回收多少次,有多少會成為垃圾。3D印刷可以讓未來太空旅途大幅度減輕貨物重量,成為太空科學重要的一環。

Xerox(全錄、施樂)從影印馳名全球,後推出電腦印字機,又推出商業化數位印刷機,現在又推出一具2.7x2.1米、高溫達800°C的印刷機,這當然不是噴墨的,這是3D印刷機ElemX,所噴的「墨」是從鋁線融化的鋁,像一個小型鋁工廠,把固體的鋁高溫融化成液體,噴出來一滴滴、一層層堆積成預先設計的物件。這一台設備做什麼用?原來放在加州Monterey的海軍研究學院,供研究實驗。

3D印刷機放在海軍學校,與太空站類似,希望艦艇在不著邊際的大海遇到不時之需能自我補救。鋁是不怕氧化、不易腐蝕的材料,艦艇有無數零件難免或有不足,或因臨時情況的特殊需要,3D印刷的鋁製品是最佳來源。

ElemX還不能現場製造砲彈或魚雷,因為印製僅限於30x30x12公分以內的精細零件,約需3、4小時完成。至於什麼時候上船,因為船會擺動也會震動,是否影響精密印製動作,還要進一步實驗。

太空與海上所需要的大多是小型零件或工具,印刷機不會太大,像Xerox ElemX算是大型的了,但近年應用的擴展,讓3D印刷機變大了,而且相當的大,因為用在建築業的材料製造,更有直接用來蓋房子。

以美國加州奧克蘭(Oakland)的Mighty建築公司為例,用3D印刷製造各種建築板材,客製模組化的設計,完工後運到工地自動化安裝。除了材料,也組合各種房屋,從最小350平方呎(32平方米)的獨屋,組合到1,440平方呎(134平方米)三房二衛浴的家庭住宅。

紐約的SQ4D建築公司採取另一種做法,與其預做材料運到工地組合,不如把3D印刷機搬到工地現場,直接蓋一棟房子。聽起來不可思議,但概念與製造小零件沒有差別。先在房子基地四周搭上架子,把「噴頭」(噴材料出口)固定在架子上,使其能各種方向移動,然後以特製的水泥狀材料連續送到噴頭,噴頭依建築圖樣由電腦控制移動,像擠牙膏似的,把材料噴灑在房子的地基、牆等各個部位。

這樣噴灑一層後印頭拉高再噴灑上一層,周而復始繼續堆高,直到整個房子完工。這棟房子位於紐約長島Riverhead,面積1,400平方呎(130平方米),有三房二衛浴,SQ4D公司說一共花了兩天時間,僅用3名工人就把房子蓋完了,成為美國首棟出售的3D印刷房子,售價30萬美元,只有當地房屋市場的半價,聞風參觀的人很多,都說物超所值。這棟房子已列入售房網站Zillow,有興趣的讀者可進入瀏覽。

這種現場立即蓋房的技術,由慈善機構協助,開始進入窮困的偏遠地區。非洲東南外海的馬達加斯加島(Madagascar),即將在南方一所大學附近修建學校,校舍一間間可以連接,由舊金山一家3D印刷建築公司設計興建。

在墨西哥偏遠地區,即將完成一個3D房屋的社區,現已由美國德州一家建築公司完成第一棟,有兩間睡房面積500平方呎(46平方米)的住宅,一共會完成50棟以平價出售,每蓋一棟僅需24小時。

德國的第一棟3D印刷房屋蓋在北萊茵巴伐利亞邦的Beckum,是一棟二層樓房,每層面積80平方米。這棟樓房是有指標作用的集體創作,包括慕尼黑技術大學與Mense Korte建築工程公司,以研究的態度故意放慢施工速度,從中獲取經驗,分析改進,使得這一革命性的技術,在節省時間、降低成本、減少人力、環保上更趨完美。有興趣的讀者可以進入ArchDaily網站,觀看這棟二層樓的房子,以及3D印刷設備的架構與運作的圖片。


本文取材自2021年3月7日「那福忠西海岸數位隨筆(194)」:上天、下海、蓋房子的3D印刷
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