長征五號B火箭成功發(fā)射！3D打印金屬/陶瓷復(fù)合材料微米級在軌制造

2020年5月5日18時0分，長征五號B搭載新一代載人飛船試驗船和柔性充氣式貨物返回艙試驗艙，從文昌航天發(fā)射場點火升空。約488秒后，載荷組合體與火箭成功分離進(jìn)入預(yù)定軌道，我國空間站階段的首次飛行任務(wù)告捷。


在本次任務(wù)中，由中國科學(xué)院牽頭負(fù)責(zé)的空間應(yīng)用系統(tǒng)在新飛船試驗船安排了在軌精細(xì)成型實驗、材料摩擦行為實驗、微重力測量試驗等三項科學(xué)實（試）驗，將為未來我國空間站建設(shè)運營以及走向更遙遠(yuǎn)的深空，進(jìn)行前瞻科學(xué)研究和技術(shù)驗證。

△中科院空間應(yīng)用中心研究團隊的立體光刻3D打印技術(shù)對金屬/陶瓷復(fù)合材料進(jìn)行微米級精度的在軌制造設(shè)備

中科院空間應(yīng)用中心的太空3D打印研究

據(jù)介紹，這次長征五號B火箭成功把我國新一代載人飛船試驗船送入了預(yù)定軌道，可以為我國太空3D打印提供了很好的研究機會。

為進(jìn)一步提升制造精度、擴大可用于太空制造的材料譜系，由中科院空間應(yīng)用中心研究團隊研制的“在軌精細(xì)成型實驗裝置”將創(chuàng)新采用立體光刻3D打印技術(shù)對金屬/陶瓷復(fù)合材料進(jìn)行微米級精度的在軌制造。

太空失重環(huán)境是立體光刻技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)之一，普通的打印漿料在失重條件下無法保持穩(wěn)定形態(tài)，會發(fā)生爬壁導(dǎo)致液面起伏影響打��；通過國內(nèi)外失重飛機，先后進(jìn)行了數(shù)百次微重力環(huán)境下的實驗，對漿料在失重條件下的流變行為及內(nèi)在機理進(jìn)行了分析，利用化學(xué)及物理方法對漿料進(jìn)行優(yōu)化使其從液態(tài)變?yōu)檐浳镔|(zhì)形態(tài)，軟物質(zhì)特有的屈服應(yīng)力在失重條件下抵抗形變，抑制爬壁，且在較高剪切力作用下其又可以恢復(fù)良好的流動性，保證了3D打印順利進(jìn)行。


△2018年中科院太空制造技術(shù)重點實驗室在微重力下試驗3D打印

據(jù)了解，中國科學(xué)院太空制造技術(shù)重點實驗室（CAS Key Laboratory of Space Manufacturing Technology, SMT）成立于2017年底，依托中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心，是一個以“太空制造技術(shù)”為研究專題的科研實體。

早在2018年6月13日，中科院太空制造技術(shù)重點實驗室（依托單位為空間應(yīng)用中心）科研人員在瑞士杜本多夫利用歐洲失重飛機圓滿完成了國際首次微重力環(huán)境下陶瓷材料立體光刻成形技術(shù)試驗和基于陶瓷模具的金屬材料微重力環(huán)境下鑄造技術(shù)試驗，獲得多個完好的制造樣品及豐富的實驗數(shù)據(jù)。

△微重力下光固化3D打印陶瓷樣件

△微重力下3D打印金屬樣件
太空3D打印的作用和優(yōu)勢

一般來說，當(dāng)國際空間站內(nèi)缺少某種工具或部件時，宇航員們就得花上數(shù)周甚至數(shù)月等待地面送來物資補給。有了太空3D打印機，技術(shù)人員在地球上設(shè)定出物品的制造程序（也就是設(shè)計模型文件），然后用電子郵件發(fā)送至國際空間站，整個過程耗時不到一周；而實際打印時間只有約4小時。

除了時間成本，太空3D打印所節(jié)約的運輸成本同樣可觀�？臻g站、基地或復(fù)雜航天器的系統(tǒng)由許多部分組成。盡管在建造時就力求可靠，但仍然面臨著零件損壞、系統(tǒng)升級等問題。如果攜帶大量預(yù)制零件進(jìn)入太空，就會大大增加高昂的發(fā)射費用。如采用太空3D打印技術(shù)，只需將原材料和輕型打印機帶入太空，從而就地制造所需零部件，最大限度減少發(fā)射重量并提高工作效率。未來，當(dāng)人類能夠從其他星球表面開采原材料時，還能在太空建立“零件工廠”，進(jìn)一步減輕航天器的發(fā)射重量，節(jié)約空間。

△南極熊配圖：美國NASA國際空間站上的太空3D打印機，使用到的技術(shù)是FDM熔融擠出，通過噴頭加熱，高分子聚合物線材熔化成液態(tài)，然后靠機械力從噴頭擠出來，層層堆疊成型。圖片來源NASA

2014年，NASA研制的世界上首臺太空3D打印機抵達(dá)國際空間站，揭開了人類“太空制造”的序幕。


3D打印技術(shù)在太空的操作環(huán)境與地球大不相同，技術(shù)難度也不一。在地球上，依靠重力，3D打印機擠出的加熱塑料、金屬或其他材料能自然地沉積，一層一層打印出三維物體。而在太空零重力條件下，需要使用以給定速率旋轉(zhuǎn)的離心機來確保材料沉積到位，或者修改3D打印的過程來使設(shè)備平穩(wěn)運行。不過，原本基于地球的3D打印技術(shù)更容易適應(yīng)有著微重力環(huán)境的月球和火星。


綜合自：人民日報、環(huán)球時報、中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心