深度解讀：微重力金屬3D打印前景分析

微重力的金屬3D打印正在引起科學(xué)家和航空航天工程師日益增長的興趣,，尤其是在國際空間站的這種活動中,。德國和法國的研究人員在最近發(fā)表的“以μ-重力實(shí)現(xiàn)金屬部件的3D打印”中探討了微重力印刷的主題,。研究團(tuán)隊關(guān)注制定太空工作和生活的策略，深入研究可能面臨的挑戰(zhàn),。金屬添加劑制造 ,，重力很小。

增材制造一直是全球許多不同公司和組織的福音，尤其是航空航天領(lǐng)域和NASA,。由于創(chuàng)建備件可能非常昂貴且具有挑戰(zhàn)性,，因此3D打印和AM流程具有諸多優(yōu)勢，如指數(shù)級更高的可承受性,，生產(chǎn)速度等,，包括機(jī)器人的集成。在這項研究中,，研究人員的目標(biāo)是在空間中制造1至500毫米的金屬部件,。同時還可以創(chuàng)建更大的結(jié)構(gòu)，允許航天器上的幾乎所有部件通過激光束熔化（LBM）以及從鈦到鎳基合金的各種材料制造,。

LBM技術(shù)目前正在許多不同的應(yīng)用中使用,，包括：
汽車
航天
工具制造
醫(yī)遼

“選擇LBM作為制造航空航天部件的工藝主要是基于加工部件所需的原材料與部件本身重量之間的重量比。對于傳統(tǒng)制造技術(shù)而言,，飛行部件的“購買 - 飛行”比率可能高達(dá)15-20,，為材料和加工部件增加了大量成本�,！把芯咳藛T表示,。

LBM工藝有了一系列優(yōu)勢，首先是零件可以制造成幾乎任何形狀,，由粉末制成,，如果有的話，幾乎不會產(chǎn)生任何浪費(fèi),。處理備件是關(guān)鍵 - 特別是今天在國際空間站,，在過去的貨運(yùn)中已知由于發(fā)射不成功而失敗。即使在空間站中的太空行走丟失工具也可能對宇航員和任務(wù)造成問題,。據(jù)了解,，約占國際空間站所有備件的2％，總計約2000個組件,，可能會隨時丟失,。”

3D打印是合理的選擇,，因為可以通過電子郵件發(fā)送3D文件,，以便按需和現(xiàn)場創(chuàng)建零件。通過“虛擬工具箱”工作,，以及依靠從地球發(fā)送的文件,，宇航員可以看到他們的工作在未來更加精簡。特別是如果他們生活在遠(yuǎn)離火星的地方,，那里的再補(bǔ)給任務(wù)很少或者不可能,。其中很大程度上取決于微重力制造的成功以否,，以及3D打印機(jī)和材料與工作人員一起發(fā)送的要求。

到達(dá)國際空間站,，月球和火星所需的時間與它們到地球的距離有關(guān),。到達(dá)相應(yīng)物體所需行程時間的值基于不同飛行軌跡和機(jī)動的文獻(xiàn)值,�,？紤]的地月距離是近地點(diǎn);對于地球 - 火星距離，填充符號表示平均最小距離,，每個≈26個月達(dá)到,。開放符號表示地球 - 火星和假設(shè)飛行時間的最大距離，盡管可以預(yù)期只有當(dāng)火星接近其最小距離時,，飛行任務(wù)才是可行的,。

目前，國際空間站使用FM 3D打印機(jī),，這是由Made in Space提供的,。宇航員也非常著名地制造了許多3D打印部件，主要是工具的形式,，扳手是他們的第一次成功,。雖然這是一項巨大的成就，但FDM打印機(jī)可能過于基本,，無法滿足未來不斷擴(kuò)展的需求,，并且功能優(yōu)先。

粉末沉積單元的示意圖,。用于粉末沉積的多孔建筑平臺的面積為106.5×85.5mm 2,。

“基于激光的AM特別能夠在太空中制造高性能金屬和熱塑性聚合物，”研究人員表示,。雖然以前一直認(rèn)為粉末太難以在太空生產(chǎn),，但研究小組解釋說，新的進(jìn)展可以使LBM工藝適用于μ-g環(huán)境,，使用一種技術(shù)可以通過產(chǎn)生氣流來穩(wěn)定太空中的粉末整個粉末床,。多孔建筑平臺用作過濾器，用于“固定氣流中的金屬顆�,！�,。

“可以證明，對于直徑為38μm的顆粒（即D50）,，氣流提供的阻力與μ-g加速條件下作用于顆粒的力（<0.01 g）相當(dāng)甚至超過研究人員總結(jié)說：“這項工作中使用的粉末”,。“在這項研究中,，全球第一個金屬工具,，12毫米扳手由LBM在μ-g條件下制造,。此外，其他部件是由拋物線飛行提供的不同加速度制造的,，即超重力（1.8 g）,，μ-g（<0.01 g）和1 g。在對零件微觀結(jié)構(gòu)的第一次調(diào)查中,，未發(fā)現(xiàn)與在1g條件下制造的零件有顯著偏差,。因此，目前的工作已經(jīng)提出了關(guān)于LBM工藝在太空中添加制造的即用型金屬零件的可行性的第一個結(jié)果,�,！�
a）沉積室的頂視圖，顯示激光掃描儀和光學(xué)系統(tǒng),，兩個氧氣傳感器,，兩個壓力表和兩個超壓安全閥
b）在拋物線飛行后清潔過程中沉積單元的視圖，顯示LBM產(chǎn)生的扳手仍然部分地嵌入粉末床中
c）在從基板分離后,，在μ重力下制造的μ重力d）12mm扳手中制造的多孔金屬基板和扳手的俯視圖,。底板的尺寸為106.5×85.5 mm2。

金屬3D打印除了空間之外還包含許多不同的技術(shù),，并且用于各種不同的工業(yè)目的 - 以及許多不同類型的粉末和材料,，這些粉末和材料在地球上一直在不斷地進(jìn)行實(shí)驗，從陶瓷到納米復(fù)合材料到銅,。

文章來源：網(wǎng)絡(luò)