在太空手搓建材，3D打印有多神奇

近年來，隨著深空探測的不斷拓展，地面制造和軌道運(yùn)輸?shù)馁Y源補(bǔ)給模式逐漸暴露其局限性。盡管商業(yè)航天領(lǐng)域已在不斷壓縮發(fā)射周期、提高資源復(fù)用率，但目前想要把物資通過火箭發(fā)射運(yùn)上太空，仍面臨成本高、響應(yīng)慢等問題。于是，人們想到通過直接在太空制造來取代運(yùn)輸，最可行的手段就是太空3D打印。

太空3D打印，又稱太空在軌增材制造，既然是制造，一定需要用到原材料，在覆蓋全材料的在軌制造體系中，太空金屬3D打印是難度最高、戰(zhàn)略價(jià)值最大的核心分支。它特指以不銹鋼、鈦合金、鋁合金等金屬及合金為原料，在太空環(huán)境下完成的在軌增材制造，也是太空 3D打印從非金屬輔助件向金屬核心承力件跨越的關(guān)鍵。

突破金屬打印的意義

太空3D打印的實(shí)踐探索，要從2014年開始講起，當(dāng)然，在此之前行業(yè)已經(jīng)歷長達(dá)二十余年的早期理論研究階段，這一年，人類首次將3D打印機(jī)發(fā)射上太空，并在國際空間站成功打印出了扳手等多個(gè)工具和零部件。

國際空間站上利用3D打印機(jī)制造的太空中第一個(gè)金屬部件

國際空間站上的首臺(tái)金屬3D打印機(jī)

自此，看到太空打印可行性的人們開始研究如何在太空環(huán)境中打印更復(fù)雜的其他物體，如生物組織、建筑材料，這樣就能支持宇航員在空間站完成更多生物實(shí)驗(yàn)，甚至直接就地利用月壤來制作建筑材料，搭建未來的月球基地。

而想要制作可搭建基地的承力備件，必須有金屬和金屬合金的參與，這就是太空金屬3D打印技術(shù)的戰(zhàn)略意義所在。

以往在太空用非金屬材料只能制作一些應(yīng)急工具、實(shí)驗(yàn)樣品和輔助構(gòu)件，應(yīng)用相當(dāng)局限。而金屬的強(qiáng)度、導(dǎo)電性和剛性可以將太空3D打印的潛力無限放大，不僅可制造搭建月球基地所需的金屬結(jié)構(gòu)，還能解決航天器上各種零部件的補(bǔ)給問題。一旦空間站、衛(wèi)星、深空探測器等核心構(gòu)件都能實(shí)現(xiàn)在軌制造，人們就不用通過地面生產(chǎn)+火箭發(fā)射的途徑來解決航天器的設(shè)備維修與更換。

這一方面降低了空間站的運(yùn)營成本，并提高了在軌設(shè)備維修調(diào)試的靈活性；另一方面也使零部件的制造擺脫了運(yùn)輸條件限制，因?yàn)槿粢ㄟ^火箭運(yùn)載必須考慮到零部件的尺寸能不能放進(jìn)艙、負(fù)載重量能否支持順利發(fā)射的問題，但直接在天上造就沒有這個(gè)困擾。

可喜的是，這個(gè)理論構(gòu)想正在變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。1月12日，由中國科學(xué)院力學(xué)研究所自主研制的金屬增材制造返回式科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷，搭載于中科宇航力鴻一號(hào)遙一飛行器，成功在太空完成金屬3D打印實(shí)驗(yàn)，我國首次在軌制造出完整的金屬構(gòu)件。

1月22日，搭載于力鴻一號(hào)飛行器的微重力激光增材制造返回式科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷完成開艙交付

太空打印vs地面打印

要實(shí)現(xiàn)太空金屬3D打印要突破哪些難關(guān)，它與早已實(shí)現(xiàn)并趨于成熟的地面3D打印又有何不同？

3D打印按數(shù)字模型逐層堆疊的原理想必大家已不陌生，金屬3D打印的特點(diǎn)是用高能熱源熔化金屬原料再凝固成型，根據(jù)不同能量源、材料和成型路徑，可分為多種工藝，而目前主流的工藝方式有兩種，一是激光粉末床熔融（L-PBF），二是激光定向能量沉積（DED）。

前者是指將金屬粉末鋪在構(gòu)建平臺(tái)上，用激光束按照各層截面數(shù)據(jù)，有選擇性地熔化粉末床內(nèi)的指定區(qū)域，層層融合后最終形成零件造型，這也是目前應(yīng)用最廣泛的技術(shù)路線。后者則采用動(dòng)態(tài)送料的成型方式，用高功率激光照射固態(tài)金屬絲端頭，讓它瞬間熔化成液態(tài)熔池，再與已打印的金屬層融合，這樣不斷冷卻固化、逐層堆積就形成了最終構(gòu)件。

要在太空實(shí)現(xiàn)金屬3D打印，面臨的核心難點(diǎn)在于太空的微重力環(huán)境。在地面上，金屬打印的成型有重力參與，人們可以輕松主導(dǎo)材料的定位和流動(dòng)。但在太空打印時(shí)，材料的成型邏輯完全不同，微重力狀態(tài)下金屬粉末極易飄散，不僅難以成型，還會(huì)污染設(shè)備和艙內(nèi)環(huán)境，造成很大安全隱患。金屬絲材雖更安全，但微重力下的精密送絲、防纏繞難度極大，液態(tài)熔池也容易懸浮擴(kuò)散，就像我們在廣告片里看到在太空艙里到處飄浮的水珠一樣，金屬熔滴也會(huì)到處亂竄。

同時(shí)，失去重力約束后，熔融金屬中的氣泡無法通過上浮排出，冷卻留下之后就會(huì)形成孔隙和裂紋，降低金屬構(gòu)件的強(qiáng)度和韌性。

此外，太空環(huán)境與地面的熱管理系統(tǒng)也大有不同。

地面上，空氣對流高效，可快速散熱，但在太空的真空環(huán)境下，對流散熱失靈了，熱量只能通過輻射和傳導(dǎo)緩慢散出，導(dǎo)致熔池過熱引發(fā)變形。并且如果是相同的工藝參數(shù)，由于太空打印件的最高溫度顯著高于地面，它的熱應(yīng)力分布就會(huì)完全不同，這樣就必須重新設(shè)計(jì)輻射散熱系統(tǒng)和溫度閉環(huán)控制，防止熱量積累導(dǎo)致零件變形和性能劣化。

由此可見，太空金屬3D打印作為在軌增材制造體系里最難攻克的壁壘，想要實(shí)現(xiàn)工程化落地，必須跨越不少技術(shù)難關(guān)。

我國主要聚焦絲材DED技術(shù)路線，通過電磁力輔助送絲來解決上述問題，也就是通過電磁吸附來控制成型環(huán)節(jié)，防止金屬絲材和熔滴懸浮亂飄，同時(shí)開發(fā)全流程閉環(huán)的自適應(yīng)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測絲材位置和熔池形態(tài)，并通過高清相機(jī)和紅外傳感器監(jiān)控材料的溫度，一旦位置偏移或溫度過熱，立即動(dòng)態(tài)調(diào)整送絲速度、激光掃描路徑和功率，達(dá)到精準(zhǔn)定位和分區(qū)控溫。

此次實(shí)驗(yàn)成功，意味著我國太空金屬增材制造技術(shù)正式邁入“太空工程驗(yàn)證”新階段，也標(biāo)志著我國在該領(lǐng)域已達(dá)到世界領(lǐng)先水平，這為后續(xù)空間站在軌制造，以及深空探測的原位資源利用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

>End

本文轉(zhuǎn)載自“電腦報(bào)少年派”，原標(biāo)題《在太空手搓建材，3D打印有多神奇》。

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