拋物線飛行：愛荷華州立大學(xué)零重力測試電動噴墨3D打印機(jī)

導(dǎo)讀：2022年3月，南極熊獲悉，愛荷華州立大學(xué)（Iowa State University）的研究人員已經(jīng)成功在零重力條件下測試了3D打印電子產(chǎn)品。

為了取代重力，此團(tuán)隊(duì)利用電力將導(dǎo)電油墨逐層打印到玻璃基底上，從而創(chuàng)建復(fù)雜的電路。工程師們與美國國家航空航天局（NASA）合作，希望利用這一技術(shù)能夠在太空中生產(chǎn)傳感器，減少宇航員攜帶的備件，延長太空飛行的時(shí)間。

研究團(tuán)隊(duì)的首席研究員Hantang Qin解釋道：“對于未來的NASA任務(wù)、太空探索任務(wù)，他們不僅希望能夠派人往返，而且還希望有長期可用的基礎(chǔ)設(shè)施，這就是我們正在努力的目標(biāo)。我們正在制造打印機(jī)，可以在國際空間站(ISS)或火星上停留很長時(shí)間�！�

△愛荷華州立大學(xué)NINJAS研究人員在拋物線試飛期間。照片來自 Steve Boxall/Zero-G。

即時(shí)維修電子產(chǎn)品

在航天器上，傳感器等電子設(shè)備損壞的情況并不少見，這會造成很嚴(yán)重的后果。例如，國際空間站上的濕度傳感器對機(jī)組人員的安全至關(guān)重要，如果設(shè)備出現(xiàn)故障，則需要緊急更換或維修。盡管向航天器上運(yùn)送替代品或備件能夠解決這個(gè)問題，但這樣做會增加飛船的重量，增加執(zhí)行成本。

為了解決上述問題，一組被稱為航空航天無重力噴墨打印或"NINJAS"團(tuán)隊(duì)的研究人員提出了另一種解決方案。他們以電動噴墨打印為原理，用正在申請專利的新型銀和鈦酸鋇墨水制造零件。

該團(tuán)隊(duì)稱，這些材料非常適合生產(chǎn)電子產(chǎn)品，因?yàn)樗鼈兛梢詫?shí)現(xiàn)超穩(wěn)定、高分辨率的打印，并且通過進(jìn)一步的研發(fā)，可以在太空或地面創(chuàng)造出新型柔性傳感器、軟機(jī)器人、電路板、半導(dǎo)體和其他微型設(shè)備。

作為測試方法的第一步，Hantang Qin和他的團(tuán)隊(duì)在2021年底制造了一臺原型3D打印機(jī)，而愛荷華州的同事Shan Jiang則在他的實(shí)驗(yàn)室工作，研究制備導(dǎo)電墨水。

Hantang Qin說：“我們實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是在微重力下打印導(dǎo)電電路圖案，我們測試了多種具有不同材料特性（例如密度、表面張力和介電常數(shù)）的墨水，同時(shí)確定了最佳操作條件，包括電壓、脈沖頻率和噴嘴方向�！�

△領(lǐng)導(dǎo)愛荷華州立大學(xué)項(xiàng)目的Hantang Qin和Shan Jiang。照片來自愛荷華州立大學(xué)。

NINJAS 零重力實(shí)驗(yàn)

在原型機(jī)制造完成后，NINJAS的工作人員就將其帶到佛羅里達(dá)州的勞德代爾堡，“登上”一架改裝過的飛機(jī)，在該飛機(jī)上模擬外太空的條件。這架飛機(jī)能夠通過以45°上下飛行，使團(tuán)隊(duì)和他們的實(shí)驗(yàn)品能夠在這條曲線的最頂端體驗(yàn)到微重力下的失重狀態(tài)。

工程師們認(rèn)為拋物線飛行測試是在不進(jìn)入太空的情況下評估3D打印機(jī)性能的唯一方法，但在零重力下設(shè)法操作系統(tǒng)本身并不是一件容易的事，并將其描述為類似于“從30,000英尺高的建筑物跳下20-30秒�！痹擁�(xiàng)目團(tuán)隊(duì)中的學(xué)生之一Matthew Marander解釋說：“適應(yīng)零重力環(huán)境不難，較難是適應(yīng)超重力、正常重力和零重力之間快速過渡的感覺。如此迅速地在這些狀態(tài)中切換會讓人感到有點(diǎn)迷失方向�！�

對于此次測試，Jiang總結(jié)道，三天測試中的第一天對所有參與者來說都是一種學(xué)習(xí)經(jīng)歷，但在第二和第三天，團(tuán)隊(duì)能夠利用3D打印技術(shù)打印一些漂亮的圖案。在取得初步成功之后，研究人員現(xiàn)在已經(jīng)加倍研究，在2022年5月的第二次測試之前，升級了打印系統(tǒng)和打印材料。整個(gè)團(tuán)隊(duì)在420,000美元的資金支持下，希望最終能夠幫助NASA開發(fā)一個(gè)可以大大擴(kuò)展在太空中制造的材料和設(shè)備的平臺，因此他們?yōu)樽约涸O(shè)定了一個(gè)長期目標(biāo)，在提出2024年之前為國際空間站的打印機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)新型噴嘴頭。

△工作人員在國際空間站內(nèi)工作。照片來自NatGeo/ISS。

在軌3D打印在行動

●NASA繼續(xù)投入大量時(shí)間、精力和資金來開展低地球軌道(LEO) 3D打印實(shí)驗(yàn)，其中最有前景的技術(shù)將在國際空間站上進(jìn)行測試。就在去年，歐洲航天局的一個(gè)財(cái)團(tuán)提出了一款早期的FFF 3D打印機(jī)，據(jù)說能夠創(chuàng)建“無限長”的零件，該打印機(jī)已被指定用于國際空間站。

●Made in Space（現(xiàn)為Redwire）等公司也曾幫助國際空間站建立打印系統(tǒng)，該公司在2019年為空間站開發(fā)了3D打印零件的塑料回收設(shè)施，被稱為“Braskem Recycler”。此機(jī)器能夠?qū)�國際空間站的塑料廢物轉(zhuǎn)化為原料，減少供應(yīng)任務(wù)，并建立近乎閉環(huán)的生產(chǎn)模式。

●除了國際空間站，慕尼黑應(yīng)用科技大學(xué)的研究人員還開發(fā)了一種在軌衛(wèi)星3D打印機(jī)，它可以在太空真空中制造太陽能電池板或天線。與愛荷華州的NINJAS計(jì)劃類似，該項(xiàng)目的啟動旨在減輕航天器上的重量，攜帶更多重要的貨物，例如燃料。

●中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心科研人員在杜本多夫利用歐洲失重飛機(jī)成功完成了國際首次微重力下陶瓷材料立體光刻成形技術(shù)試驗(yàn)，為了將來能夠在空間站直接快速的制造出零部件，在太空直接組建大型望遠(yuǎn)鏡或其他科學(xué)儀器。（世界首次微重力特種陶瓷3D打印研發(fā)成功-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺 (nanjixiong.com)

編譯來源：https://3dprintingindustry.com/news/new-method-of-3d-printing-electronics-tested-in-zero-gravity-by-iowa-state-ninjas-researchers-205994/