揭秘國(guó)際空間站首個(gè)金屬3D打印部件的幕后故事
近期國(guó)際空間站（ISS）實(shí)現(xiàn)了歷史性的突破，首個(gè)金屬部件在太空中成功完成3D打印。這一成就標(biāo)志著太空制造領(lǐng)域的重大飛躍，為未來(lái)可能依賴(lài)在軌生產(chǎn)和維修的任務(wù)打開(kāi)了新的大門(mén)。這項(xiàng)由歐洲航天局 (ESA) 牽頭的開(kāi)創(chuàng)性任務(wù)表明，在微重力條件下打印金屬部件不僅是可能的，而且對(duì)未來(lái)的太空探索至關(guān)重要。
金屬3D打印機(jī)抵達(dá)國(guó)際空間站
這臺(tái)金屬3D打印機(jī)由空中客車(chē)公司及其合作伙伴在歐洲航天局（ESA）的資助下開(kāi)發(fā)，于2024年1月運(yùn)抵國(guó)際空間站。該打印機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是展示在微重力環(huán)境下生產(chǎn)金屬部件的可行性。2024年5月，打印機(jī)在國(guó)際空間站的哥倫布實(shí)驗(yàn)艙成功安裝，并在ESA宇航員Andreas Mogensen的指導(dǎo)下完成首次運(yùn)行。
這一突破性實(shí)驗(yàn)離不開(kāi)多個(gè)組織的緊密合作。空中客車(chē)防務(wù)與航天公司主導(dǎo)開(kāi)發(fā)了這臺(tái)3D打印機(jī)，法國(guó)金屬增材制造硬件公司AddUp、克蘭菲爾德大學(xué)和Highftech Engineering等機(jī)構(gòu)也為此項(xiàng)目提供了關(guān)鍵支持。各方的協(xié)作確保了這項(xiàng)尖端技術(shù)的成功實(shí)施，并為未來(lái)的制造業(yè)發(fā)展鋪平了道路。
太空3D打印的意義
在太空中生產(chǎn)金屬部件標(biāo)志著太空任務(wù)自給自足能力的提升。傳統(tǒng)的太空探索部件生產(chǎn)依賴(lài)于地球上的制造和運(yùn)輸，成本高昂且物流復(fù)雜。通過(guò)在國(guó)際空間站進(jìn)行金屬3D打印，宇航員能夠在軌道上直接制造工具和部件，從而節(jié)省時(shí)間和降低成本，尤其對(duì)于長(zhǎng)期任務(wù)如火星或月球探索具有重要意義。
由于微重力環(huán)境的復(fù)雜性，太空中的3D打印過(guò)程不同于地球上的傳統(tǒng)制造方法。工程師們必須開(kāi)發(fā)新技術(shù)以適應(yīng)這些挑戰(zhàn)，確保在太空中制造部件的可行性。國(guó)際空間站提供了一個(gè)理想的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用于探索和解決這些技術(shù)難題。
△3D打印部件看起來(lái)是被倒過(guò)來(lái)打印的，但是在太空中沒(méi)有上下
具體的太空3D打印如何實(shí)現(xiàn)
打印機(jī)到達(dá)國(guó)際空間站后，安裝是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。宇航員Andreas Mogensen負(fù)責(zé)將打印機(jī)固定在哥倫布艙，并確保其門(mén)密封，以保障設(shè)備和宇航員的安全?？紤]到高功率激光器的安全性，必須嚴(yán)格控制打印機(jī)內(nèi)部環(huán)境，以防有害氣體或顆粒泄漏到空間站。這還包括降低內(nèi)部空氣中的氧氣含量，以減少金屬打印過(guò)程中高溫引發(fā)的燃燒風(fēng)險(xiǎn)。
3D打印過(guò)程從使用不銹鋼絲的沉積開(kāi)始，與傳統(tǒng)的塑料絲打印機(jī)不同。這些不銹鋼絲通過(guò)高功率激光熔化，激光溫度高達(dá)1200°C。激光將金屬絲熔化后逐層沉積在移動(dòng)板上，逐步構(gòu)建出零件。
△該打印機(jī)自 2016 年起由 AddUp 和空中客車(chē)公司在克蘭菲爾德大學(xué)和航空航天承包商Highftech Engineering的協(xié)助下開(kāi)發(fā)，是一種線控能量沉積 (DED) 系統(tǒng)
在正式生產(chǎn)前，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了多次調(diào)試測(cè)試，確保打印機(jī)的各個(gè)組件，如送絲系統(tǒng)、激光器和移動(dòng)板，能夠正常運(yùn)作。這些測(cè)試驗(yàn)證了打印機(jī)在微重力環(huán)境下的性能。
打印過(guò)程的起點(diǎn)是創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的2D字母“S”，這標(biāo)志著打印機(jī)可以正確沉積材料。隨后，團(tuán)隊(duì)需要從2D轉(zhuǎn)向3D打印，將多個(gè)層疊加起來(lái)形成三維物體。這個(gè)過(guò)渡面臨很多挑戰(zhàn)，尤其是在微重力環(huán)境下的對(duì)齊問(wèn)題?？罩锌蛙?chē)和法國(guó)國(guó)家空間研究中心的團(tuán)隊(duì)密切監(jiān)控并調(diào)整打印過(guò)程，確保每層金屬的高度準(zhǔn)確無(wú)誤。
到2024年7月中旬，團(tuán)隊(duì)成功打印了55層，完成了第一個(gè)樣品的一半。這標(biāo)志著“巡航階段”的開(kāi)始，通過(guò)優(yōu)化打印過(guò)程，打印時(shí)間從每天3.5小時(shí)增加到4.5小時(shí)，提高了效率。接下來(lái)，ESA計(jì)劃將太空中打印的金屬部件與地球上打印的類(lèi)似部件進(jìn)行比較，以研究微重力對(duì)3D打印的影響。這將幫助改進(jìn)未來(lái)的打印技術(shù)，提高太空制造的可靠性。
成功打印出第一個(gè)太空金屬部件標(biāo)志著太空制造的重大進(jìn)步。此項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展將為深空探索和長(zhǎng)期太空任務(wù)提供強(qiáng)有力的支持，預(yù)示著3D打印在航空航天領(lǐng)域的巨大潛力。
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