在8000米高空做3D打印，這支青年團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)了世界第一！

來(lái)源：共青團(tuán)新聞聯(lián)播

中國(guó)科學(xué)院太空制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，這里有一支平均年齡為33歲的青年科研隊(duì)伍。他們將中國(guó)制造瞄向太空，在國(guó)際太空制造領(lǐng)域擁有自己的一席之地。

奮戰(zhàn)七余載

他們探尋微重力環(huán)境下

3D打印的密碼

他們要將中國(guó)制造搬到太空

期待未來(lái)在太空辦廠

讓中國(guó)制造領(lǐng)路全球

星辰大海

他們來(lái)了

△2020年5月，在載人飛船試驗(yàn)船上，在軌開(kāi)展了陶瓷軟物質(zhì)材料精密太空制造技術(shù)驗(yàn)證

2020年5月，在由長(zhǎng)征5號(hào)B運(yùn)載火箭搭載發(fā)射的中國(guó)新一代載人飛船試驗(yàn)船上，進(jìn)行了一項(xiàng)特殊的實(shí)驗(yàn)——由立體光刻3D打印機(jī)進(jìn)行陶瓷、金屬?gòu)?fù)合材料的微米級(jí)精度在軌制造。

這是國(guó)際上第一次在太空進(jìn)行該類試驗(yàn)。

在試驗(yàn)持續(xù)的兩三個(gè)小時(shí)里，中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心研究員、太空制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任王功和同事們無(wú)比激動(dòng)。

從2014年以來(lái)，中國(guó)太空制造試驗(yàn)從地面走向太空，這不僅是空間距離上的一大步，更是我國(guó)太空制造領(lǐng)域前進(jìn)中的關(guān)鍵一步。

△這是一支平均年齡只有33歲的青年科研隊(duì)伍

什么是太空制造？為什么進(jìn)行太空制造？在王功看來(lái)，后勤補(bǔ)給資源是長(zhǎng)期太空探索任務(wù)成功的重要保證，目前主要是通過(guò)發(fā)射運(yùn)載火箭和貨運(yùn)飛船向空間站進(jìn)行補(bǔ)給，不僅周期長(zhǎng)，而且成本昂貴。

“如果需要的零部件在太空里就能直接制造，將是人類太空探索技術(shù)的一次革命性進(jìn)展。”王功表示，太空制造技術(shù)是一項(xiàng)對(duì)未來(lái)航天探索任務(wù)具有革命性影響的戰(zhàn)略性技術(shù)，是人類擺脫對(duì)地球資源補(bǔ)給依賴，探索更深遠(yuǎn)宇宙空間所必須掌握的關(guān)鍵技術(shù)之一。

雖然太空制造在空間站在軌應(yīng)急維修保障、大型空間載荷在軌部署等方面具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，但與地面環(huán)境相比，太空的長(zhǎng)時(shí)微重力、強(qiáng)輻射、高真空、交變冷熱循環(huán)等環(huán)境也給太空制造技術(shù)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，對(duì)于太空制造裝備，也需要滿足高精度、低功耗、小型化、智能化等苛刻的技術(shù)要求。

2014年，我國(guó)成立科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)始太空制造研究。2017年底，中國(guó)科學(xué)院太空制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室正式成立，這是一支平均年齡只有33歲的青年科研隊(duì)伍。

其實(shí)，在國(guó)際上，開(kāi)展太空制造技術(shù)研究的時(shí)間無(wú)非也才10余年時(shí)間。

2014年9月，美國(guó)航空航天局在全球第一次將一臺(tái)打印機(jī)送到國(guó)際空間站，這臺(tái)放在手套箱里、以打印塑料為主的打印機(jī)并不大，各項(xiàng)指標(biāo)都不算先進(jìn)，但卻引發(fā)廣泛關(guān)注。

“這是在空間站第一次有了自動(dòng)化生產(chǎn)的工具�！蓖豕φf(shuō)。

△2016年3月，在法國(guó)，團(tuán)隊(duì)成功進(jìn)行首次微重力條件下的3D打印試驗(yàn)

2015年，王功開(kāi)始策劃第一次微重力環(huán)境下的3D打印試驗(yàn)。由于當(dāng)時(shí)我國(guó)還沒(méi)有建成空間站，借助中科院與德國(guó)宇航局的合作關(guān)系，團(tuán)隊(duì)將試驗(yàn)挪到了歐洲航天局的失重飛機(jī)上。失重飛機(jī)在地面上模擬太空環(huán)境的一個(gè)重要試驗(yàn)平臺(tái)。

在8000米高空，當(dāng)飛機(jī)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，開(kāi)始一個(gè)自由落體的拋物線下降時(shí)，會(huì)產(chǎn)生22秒的微重力環(huán)境。

正是利用31次重復(fù)循環(huán)的22秒微重力環(huán)境狀態(tài)，王功團(tuán)隊(duì)不斷測(cè)試3D打印效果，打印出“中國(guó)科學(xué)院”五個(gè)字。

29歲的3D打印機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人劉亦飛，親歷了第一天的失重飛行。他說(shuō)，第一次微重力環(huán)境3D打印試驗(yàn)，令團(tuán)隊(duì)收獲頗豐，拿到樣品那一刻，每個(gè)人都無(wú)比開(kāi)心。

“試驗(yàn)成功了，其實(shí)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)并不是要打印多么完美的作品，而是我想驗(yàn)證一下微重力環(huán)境對(duì)3D打印的影響效果。”王功說(shuō)。

△團(tuán)隊(duì)在微重力環(huán)境下打印出“中國(guó)科學(xué)院”五個(gè)字

通過(guò)這次試驗(yàn)，王功發(fā)現(xiàn)熔融沉積技術(shù)的兩個(gè)缺陷：產(chǎn)品性能有限并且制造精度距離在軌直接裝配使用還存在不小距離。

為此，在完成首次微重力模擬試驗(yàn)之后，中科院太空制造實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)向利用立體光刻來(lái)進(jìn)行太空制造的路線。

“這個(gè)原理很簡(jiǎn)單，利用紫外光去觸發(fā)光敏樹(shù)脂的光聚合反應(yīng)來(lái)進(jìn)行固化，有點(diǎn)像女生涂指甲油，然后在紫外燈下去照射固化�！蓖豕φf(shuō)，這是一種被美國(guó)航空航天局研究過(guò)并被否定了的工藝。

“原因在于這種工藝的原材料是液體，而在微重力環(huán)境下，液體漿料受表面張力的影響，很容易自由飄散，難以控制其穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)而無(wú)法完成打印過(guò)程�！蓖豕Ρ硎尽�

△在法國(guó)，團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行微重力環(huán)境下模擬試驗(yàn)后合影

如何能找到一個(gè)方法，來(lái)保證液態(tài)材料無(wú)法自由流動(dòng)？

經(jīng)過(guò)探索、試驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)選擇將陶瓷粉末、樹(shù)脂溶液和光引發(fā)劑等材料進(jìn)行混合匹配，開(kāi)發(fā)出一種全新的陶瓷膏體材料。這種材料類似牙膏狀，在沒(méi)有外力時(shí)，可以保持固有形態(tài)，如此一來(lái)，在微重力環(huán)境下，仍然可以保證液體的形態(tài)可控，進(jìn)而完成立體光刻的成型工藝。

然而，就是這樣一項(xiàng)工藝，團(tuán)隊(duì)前后研發(fā)了兩年。

“將納米級(jí)、亞微米級(jí)金屬和陶瓷粉末添加到光敏樹(shù)脂溶液里，相當(dāng)于把一袋面粉倒入一杯水中，并且還要保持納米顆粒均勻分散，難度非常大�！蓖豕φf(shuō)。

△2018年7月，在瑞士，團(tuán)隊(duì)首次在微重力環(huán)境下進(jìn)行陶瓷材料立體光刻制造技術(shù)試驗(yàn)

2018年，再次在失重飛機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，立體光刻工藝被證明行得通，團(tuán)隊(duì)將“不可能”變成了“可能”，這也是中國(guó)團(tuán)隊(duì)在太空制造領(lǐng)域首次提出并驗(yàn)證一個(gè)新思路。

從2015年以來(lái)，團(tuán)隊(duì)先后完成了4次面向不同工藝和材料的地面微重力模擬飛行試驗(yàn)，從面向陶瓷漿料的立體光刻技術(shù)到金屬材料鑄造工藝、聚合物基復(fù)合材料回收與循環(huán)利用，團(tuán)隊(duì)一次次潛心探索，一次次突破技術(shù)難點(diǎn)。

△2019年10月，團(tuán)隊(duì)在陜西西安閻良中國(guó)試飛院開(kāi)展國(guó)內(nèi)首次自主失重飛行試驗(yàn)?zāi)�擬

2019年10月，在陜西西安閻良，團(tuán)隊(duì)通過(guò)與中國(guó)試飛院合作，完成了我國(guó)首次自主微重力模擬飛行試驗(yàn)，這次飛行不論對(duì)于中國(guó)太空制造，還是對(duì)未來(lái)其它太空技術(shù)驗(yàn)證而言，都是一次零的突破。

如今，在王功心中，還有很多技術(shù)難題求解答案，“太空制造不僅僅是在太空開(kāi)展3D打印，還有很多制造方式正在進(jìn)行嘗試。目前都是非常簡(jiǎn)單的探索，重要的是以應(yīng)用需求為導(dǎo)向，3D打印是解決太空制造的終極手段么，在我看來(lái)，實(shí)際上這項(xiàng)技術(shù)還有許多需要提高和改進(jìn)的地方�！�

王功坦言，如果太空制造存在小型零部件制造、大型空間裝置制造及在軌組裝、地外環(huán)境綜合設(shè)施制造等三個(gè)階段的話，那么人類目前的技術(shù)也只是處于在第一個(gè)階段，盡管如此，隨著上下行運(yùn)輸手段的豐富和技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)太空辦工廠的愿望并不會(huì)太遙遠(yuǎn)。

△團(tuán)隊(duì)在陜西西安閻良