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，地面制造和軌道運輸?shù)馁Y源補給模式逐漸暴露其局限性。盡管商業(yè)航天領域已在不斷壓縮發(fā)射周期、提高資源復用率，但目前想要把物資通過火箭發(fā)射運上太空，仍面臨成本高、響應慢等問題。于是，人們想到通過直接在太空制造來取代運輸，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鍵。

突破金屬打印的意義

太空3D打印的實踐探索，要從2014年開始講起，當然，在此之前行業(yè)已經(jīng)歷長達二十余年的早期理論研究階段，這一年，人類首次將3D打印機發(fā)射上太空，并在國際空間站成功打印出了扳手等多個工具和零部件。

國際空間站上利用3D打印機制造的太空中第一個金屬部件

國際空間站上的首臺金屬3D打印機

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驗，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急工具、實驗樣品和輔助構件，應用相當局限。而金屬的強度、導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構，還能解決航天器上各種零部件的補給問題。一旦空間站、衛(wèi)星、深空探測器等核心構件都能實現(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備維修與更換。

這一方面降低了空間站的運營成本，并提高了在軌設備維修調試的靈活性；另一方面也使零部件的制造擺脫了運輸條件限制，因為若要通過火箭運載必須考慮到零部件的尺寸能不能放進艙、負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困擾。

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

1月22日，搭載于力鴻一號飛行器的微重力激光增材制造返回式科學實驗載荷完成開艙交付

太空打印vs地面打印

要實現(xiàn)太空金屬3D打印要突破哪些難關，它與早已實現(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建平臺上，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，這也是目前應用最廣泛的技術路線。后者則采用動態(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件。

要在太空實現(xiàn)金屬3D打印，面臨的核心難點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，人們可以輕松主導材料的定位和流動。但在太空打印時，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，還會污染設備和艙內環(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，金屬熔滴也會到處亂竄。

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

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緩慢散出，導致熔池過熱引發(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，它的熱應力分布就會完全不同，這樣就必須重新設計輻射散熱系統(tǒng)和溫度閉環(huán)控制，防止熱量積累導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，想要實現(xiàn)工程化落地，必須跨越不少技術難關。

我國主要聚焦絲材DED技術路線，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，同時開發(fā)全流程閉環(huán)的自適應系統(tǒng)，實時監(jiān)測絲材位置和熔池形態(tài)，并通過高清相機和紅外傳感器監(jiān)控材料的溫度，一旦位置偏移或溫度過熱，立即動態(tài)調整送絲速度、激光掃描路徑和功率，達到精準定位和分區(qū)控溫。

此次實驗成功，意味著我國太空金屬增材制造技術正式邁入“太空工程驗證”新階段，也標志著我國在該領域已達到世界領先水平，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實基礎。

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本文轉載自“電腦報少年派”，原標題《在太空手搓建材，3D打印有多神奇》。

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