國際空間站首次太空金屬3D打印實驗于2024年開展，而我國首次太空金屬3D打印實驗則在今年1月由中國科學(xué)院力學(xué)研究所主導(dǎo)完成。3D打印技術(shù)參考注意到，這兩項實驗均基于送絲激光能量沉積技術(shù)，關(guān)于結(jié)果近期均有重要信息公布。

國際空間站

太空金屬3D打印重要信息更新

國際空間站的樣品在2025年2月左右返回地球，但相關(guān)測試時間比想象中要久很多。該項目的打印過程持續(xù)了數(shù)月，共制造完成多個樣品，包括3個拉伸和3個彎曲強度測試樣條，薄壁結(jié)構(gòu)，柔性機構(gòu)（失?。?，以及丹麥技術(shù)大學(xué)的鏡架樣品。

太空打印的強度測試試樣

太空打印的薄壁試樣

太空打印的機械裝置（打印失?。?/p>

丹麥技術(shù)大學(xué)的試樣

其中一份樣本送往德國的歐洲宇航員中心，兩份樣本送往歐空局的歐洲空間研究和技術(shù)中心，最后一份樣本（鏡子支架）送往丹麥技術(shù)大學(xué)進行熱性能研究。

◆先說結(jié)論

?? 不銹鋼絲材采用激光能量沉積成功實現(xiàn)3D打印

?? 樣品的機械性能與地面制造的性能一致，工程師預(yù)判天地制造差異不大

?? 樣品精度較差，很粗糙，須后處理，設(shè)備操作不便利，半自動，金屬絲會卡住

◆材料與設(shè)備

在材料選擇方面，國際空間站選擇的是不銹鋼絲，直徑為0.6mm。歐洲航天局（ESA）高級制造工程師Advenit Makaya指出，之所以沒有選擇鈦和鋁合金這些明星金屬，是因為即便在空間站仍要考慮氧化。3D打印設(shè)備被安裝在了空間站內(nèi)部，如果采用氬氣保護，一旦出現(xiàn)泄漏就會給人員帶來直接威脅，而氮氣則安全的多。這就是他們選擇不銹鋼的直接原因。

在設(shè)備方面，國際空間站激光能量沉積3D打印設(shè)備的尺寸為80x70x40厘米，激光輸出功率為300w，送絲機構(gòu)裝載了1kg不銹鋼絲。由于打印過程中會產(chǎn)生飛濺、蒸汽等，因此打印機內(nèi)集成了一個過濾機構(gòu)。這個過濾機構(gòu)在機器打印1kg金屬后就會堵塞，因此此次搭載的金屬材料就是1公斤。

◆ 天地協(xié)同

打印機的相關(guān)配置包括發(fā)起打印的指令均在地面盡量多的完成，宇航員只需要將機器安裝到位，打印完成后取出零件并安裝新的基材，如果出現(xiàn)故障，宇航員只需要稍微注意一下，這就是宇航員需要做的全部事情。

地面有一個監(jiān)控中心，研究人員可基于打印機上的傳感器檢查各項參數(shù)，包括樣件外形輪廓、機器內(nèi)部的溫度和氧含量。Advenit Makaya指出，地面人員會檢查打印的每一層，如果發(fā)現(xiàn)有一層打印的“很奇怪”，他們就會調(diào)整參數(shù)，來確保下一層效果改善。另外，打印機工作時噪聲很大，空間站也限制了它每天的工作時間，只允許每天運行4小時。因此，整個項目持續(xù)了幾個月。

這些零件返回地球后進行機械強度、彎曲測試以及微觀結(jié)構(gòu)分析，并與地球制造的樣本進行比較。

初步結(jié)果顯示，打印歷史與觀察到的缺陷之間存在良好相關(guān)性，機械性能與地面DED 3D打印加工的316L不銹鋼性能一致，孔隙率分布與打印策略相關(guān)聯(lián)。Advenit Makaya也表示相關(guān)成果將在2026年以論文形式公布。

微鏡下觀察到的金屬表面脊狀結(jié)構(gòu)； 對樣品進行CT掃描，對樣品進行拉伸測試；樣品上噴涂了油漆斑點

該項目于2017年啟動，打印機本身的設(shè)計工作從2019年持續(xù)到2020年，隨后進行了系列測試和完善，2024年初被送往國際空間站。

國內(nèi)首次太空金屬3D打印

我國首次太空金屬3D打印于2026年1月12日開展。它由中國科學(xué)院力學(xué)研究所主導(dǎo)，并非在我國空間站開展，而是由火箭將實驗載荷送到了距地面120公里的亞軌道，載荷艙通過傘降系統(tǒng)回收。

該軌道高度是正式進入太空微重力環(huán)境的分界線，微重力金屬增材制造實驗平臺在飛行器環(huán)地飛行過程中獲得了數(shù)分鐘的實驗時間，并在這一時間內(nèi)成功制備出完整的金屬零部件。

微重力金屬增材制造實驗載荷

載荷總設(shè)計師、力學(xué)所研究員姜恒介紹，太空金屬3D打印的關(guān)鍵技術(shù)難度在于，微重力環(huán)境下的金屬熔凝過程存在失控風(fēng)險。失重狀態(tài)使液態(tài)金屬不受重力與浮力影響，完全由表面張力、毛細力等控制，極易出現(xiàn)熔滴球化、斷絲、氣泡滯留等問題，對金屬成形的精度構(gòu)成挑戰(zhàn)。

“金屬絲一熔化，它不是往下流，而是熔成一個小球，還會沿著絲往回爬，非常難以控制。這里面有微重力環(huán)境下的流體控制、熱傳導(dǎo)機制及冶金物理等基礎(chǔ)科學(xué)難題?！?/p>

此次實驗，我國科研團隊成功獲取了太空微重力環(huán)境中金屬3D打印的熔池動態(tài)特征，物料輸運、全流程閉環(huán)控制、凝固行為等過程的數(shù)據(jù)，以及太空增材制造金屬件的成形精度與力學(xué)性能等參數(shù)，為我國太空金屬增材制造技術(shù)的快速迭代積累了寶貴的實驗資料。該任務(wù)標志著我國太空金屬增材制造從‘地面研究’階段邁入‘太空工程驗證’的新階段。

雖然我國相比國際開展太空金屬3D打印的時間晚了整整兩年，但從目前的實驗進度來看，兩方目前進度相差不大。開展太空金屬3D打印的意義，首先是能夠滿足空間站在軌維修的使用需求，其次是面向已經(jīng)提上日程的月球基地建設(shè)項目儲備技術(shù)。

在地球環(huán)境對金屬3D打印的使用需求就如此之廣，在外太空只會更甚，主要還是因為物資缺乏與發(fā)射成本高昂。而重力環(huán)境的差異讓與之相關(guān)的工藝、裝備、機理探索幾乎要推倒重來，因此該領(lǐng)域研究仍屬國際前沿，且距離實際應(yīng)用還有很長的一段距離。

注：本文由3D打印技術(shù)參考創(chuàng)作，未經(jīng)聯(lián)系授權(quán)，謝絕轉(zhuǎn)載。

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