歐洲航天局在太空微重力環(huán)境下成功 3D 打印出首個金屬部件

2024年9月9日，南極熊獲悉，由歐洲航天局 (ESA)和空客公司合作研制的首臺太空金屬 3D 打印機已經(jīng)在國際空間站上打印出了其首件金屬產(chǎn)品，這是未來長期探索任務(wù)中機組人員自主性的突破。這臺金屬 3D 打印機是首臺在微重力環(huán)境下成功運行的打印機，它借鑒了國際空間站上塑料 3D 打印的早期成果。這一成就標(biāo)志著太空探索領(lǐng)域的新前沿，展示了太空制造支持長期任務(wù)的潛力。

金屬 3D 打印機技術(shù)演示器是由空中客車防務(wù)與航天公司SAS牽頭的工業(yè)團隊開發(fā)的，該公司也是該項目的共同資助者，根據(jù)與歐空局載人與機器人探索理事會簽訂的合同。打印機于今年早些時候發(fā)射至國際空間站 (ISS)，并由 ESA 宇航員Andreas Mogensen 安裝在哥倫布艙的歐洲抽屜架上。在8 月份，這臺打印機在微重力環(huán)境下生產(chǎn)出首個 3D 金屬部件。

△地球上運行的金屬 3D 打印機。

空客項目經(jīng)理帕特里克·克雷申斯評論道：“這次在軌演示是歐空局與空客小型、充滿活力的工程師團隊密切合作的結(jié)果。但這不僅僅是邁向未來的一步，更是太空探索創(chuàng)新的一次飛躍。它為在太空制造更復(fù)雜的金屬結(jié)構(gòu)鋪平了道路。這是確保月球和火星探索的關(guān)鍵資產(chǎn)�！�

微重力打印測試

ESA太空打印機選用一種常用于醫(yī)療植入物和水下應(yīng)用環(huán)境的不銹鋼材料進(jìn)行打印，因為它具有良好的耐腐蝕性。

不銹鋼絲被送入打印區(qū)域，該區(qū)域由高功率激光加熱，功率比普通激光筆高出一百萬倍。當(dāng)絲浸入熔池時，絲的末端會熔化，然后金屬就會添加到打印件中。

歐空局技術(shù)、工程和質(zhì)量局的材料工程師 Advenit Makaya 為該項目提供了技術(shù)支持：“打印過程中的熔池非常小，只有一毫米大小，因此液態(tài)金屬的表面張力可以在失重狀態(tài)下將其牢牢固定住。即便如此，不銹鋼的熔點也約為 1400°C，因此打印機在完全密封的盒子內(nèi)運行，防止過多的熱量或煙霧進(jìn)入空間站的工作人員。在打印過程開始之前，打印機內(nèi)部的氧氣必須排到太空中，用氮氣代替——如果熱不銹鋼暴露在氧氣中，就會氧化�！�

△金屬3D打印機測試打印

研究人員共計選擇了四種有趣的形狀來測試 Metal 3D 打印機的性能。這些第一批物體將與地面上打印的相同形狀（稱為參考打印件）進(jìn)行比較，以了解太空環(huán)境如何影響打印過程。這四種打印件的尺寸都小于汽水罐，每件重量不到 250 克，打印時間約為兩到四周。由于空間站的噪音規(guī)定，預(yù)定的打印時間限制為每天四小時——打印機的風(fēng)扇和電機噪音相對較大。

返回地球進(jìn)行質(zhì)量分析

ESA 計劃將首批產(chǎn)品連同另外三個打印部件一起送回地球進(jìn)行徹底的質(zhì)量測試。其中兩個打印部件將被送往 ESA 位于荷蘭的技術(shù)中心 (ESTEC)，一個將在科隆歐洲宇航員中心 (EAC) 的 LUNA 設(shè)施中使用，最終成品將由丹麥技術(shù)大學(xué) (DTU) 進(jìn)行分析。這些測試將為太空 3D 打印的質(zhì)量提供重要數(shù)據(jù)。

△第一個金屬部件由歐洲航天局國際空間站上的金屬 3D 打印機在太空中 3D 打印而成，展示了在微重力條件下成功制造的能力。

增材制造是未來太空任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)

隨著月球和火星任務(wù)變得越來越頻繁和復(fù)雜，航天器的補給將變得越來越具有挑戰(zhàn)性。太空增材制造提供了一種解決方案，它允許宇航員根據(jù)需要制造必要的零件、維修設(shè)備和生產(chǎn)專用工具。這減少了對補給任務(wù)的依賴，并提高了太空機組人員的自主性，這對于遠(yuǎn)離地球的長期任務(wù)來說是一個關(guān)鍵優(yōu)勢。

盡管國際空間站已經(jīng)擁有塑料 3D 打印機，但 ESA 的技術(shù)演示器是首次在微重力條件下成功打印金屬部件。該打印機由空中客車公司及其合作伙伴制造，英國克蘭菲爾德大學(xué)參與設(shè)計打印機的熔化過程和硬件，以及其激光源、輸送光學(xué)系統(tǒng)、原料儲存和進(jìn)料系統(tǒng)。打印操作由 CNES 從其國際空間站有效載荷控制中心監(jiān)督。

ESA 人類和機器人探索總監(jiān)Daniel Neuenschwander 表示：“隨著第一個金屬 3D 形狀在太空中的打印，ESA 探索團隊在建立在軌制造能力方面取得了重要里程碑。這一成就是由一支國際和多學(xué)科團隊實現(xiàn)的，為長距離和長期任務(wù)鋪平了道路，在這些任務(wù)中，按需制造備件、建筑部件和工具將至關(guān)重要。”

歐空局機械部主任 Tommaso Ghidini 指出：“金屬 3D 太空打印是一項很有前途的技術(shù)，不僅能支持未來的探索活動，還能通過現(xiàn)場制造、修復(fù)和回收太空結(jié)構(gòu)為更可持續(xù)的太空活動做出貢獻(xiàn)，應(yīng)用范圍廣泛。這包括在軌大型基礎(chǔ)設(shè)施的制造和組裝以及人類在行星上的長期定居。這些方面是歐空局即將推出的技術(shù)交叉計劃的重點�！�

歐空局材料與工藝部門負(fù)責(zé)人托馬斯·羅爾補充道：“此次技術(shù)演示展示了微重力條件下金屬材料的加工，為未來在地球以外制造基礎(chǔ)設(shè)施鋪平了道路。”