歐洲航天局在太空微重力環(huán)境下成功 3D 打印出首個金屬部件

2024年9月9日,，南極熊獲悉,，由歐洲航天局 (ESA)和空客公司合作研制的首臺太空金屬 3D 打印機已經(jīng)在國際空間站上打印出了其首件金屬產(chǎn)品,，這是未來長期探索任務中機組人員自主性的突破,。這臺金屬 3D 打印機是首臺在微重力環(huán)境下成功運行的打印機,，它借鑒了國際空間站上塑料 3D 打印的早期成果,。這一成就標志著太空探索領(lǐng)域的新前沿,，展示了太空制造支持長期任務的潛力。

金屬 3D 打印機技術(shù)演示器是由空中客車防務與航天公司SAS牽頭的工業(yè)團隊開發(fā)的,，該公司也是該項目的共同資助者,，根據(jù)與歐空局載人與機器人探索理事會簽訂的合同。打印機于今年早些時候發(fā)射至國際空間站 (ISS),，并由 ESA 宇航員Andreas Mogensen 安裝在哥倫布艙的歐洲抽屜架上,。在8 月份，這臺打印機在微重力環(huán)境下生產(chǎn)出首個 3D 金屬部件,。

△地球上運行的金屬 3D 打印機,。

空客項目經(jīng)理帕特里克·克雷申斯評論道：“這次在軌演示是歐空局與空客小型、充滿活力的工程師團隊密切合作的結(jié)果,。但這不僅僅是邁向未來的一步,，更是太空探索創(chuàng)新的一次飛躍。它為在太空制造更復雜的金屬結(jié)構(gòu)鋪平了道路,。這是確保月球和火星探索的關(guān)鍵資產(chǎn),。”

微重力打印測試

ESA太空打印機選用一種常用于醫(yī)療植入物和水下應用環(huán)境的不銹鋼材料進行打印,，因為它具有良好的耐腐蝕性,。

不銹鋼絲被送入打印區(qū)域，該區(qū)域由高功率激光加熱,，功率比普通激光筆高出一百萬倍,。當絲浸入熔池時,，絲的末端會熔化，然后金屬就會添加到打印件中,。

歐空局技術(shù),、工程和質(zhì)量局的材料工程師 Advenit Makaya 為該項目提供了技術(shù)支持：“打印過程中的熔池非常小，只有一毫米大小,，因此液態(tài)金屬的表面張力可以在失重狀態(tài)下將其牢牢固定住,。即便如此，不銹鋼的熔點也約為 1400°C,，因此打印機在完全密封的盒子內(nèi)運行,，防止過多的熱量或煙霧進入空間站的工作人員。在打印過程開始之前,，打印機內(nèi)部的氧氣必須排到太空中,，用氮氣代替——如果熱不銹鋼暴露在氧氣中，就會氧化,�,！�

△金屬3D打印機測試打印

研究人員共計選擇了四種有趣的形狀來測試 Metal 3D 打印機的性能。這些第一批物體將與地面上打印的相同形狀（稱為參考打印件）進行比較,，以了解太空環(huán)境如何影響打印過程,。這四種打印件的尺寸都小于汽水罐，每件重量不到 250 克,，打印時間約為兩到四周,。由于空間站的噪音規(guī)定，預定的打印時間限制為每天四小時——打印機的風扇和電機噪音相對較大,。

返回地球進行質(zhì)量分析

ESA 計劃將首批產(chǎn)品連同另外三個打印部件一起送回地球進行徹底的質(zhì)量測試,。其中兩個打印部件將被送往 ESA 位于荷蘭的技術(shù)中心 (ESTEC)，一個將在科隆歐洲宇航員中心 (EAC) 的 LUNA 設(shè)施中使用,，最終成品將由丹麥技術(shù)大學 (DTU) 進行分析,。這些測試將為太空 3D 打印的質(zhì)量提供重要數(shù)據(jù)。

△第一個金屬部件由歐洲航天局國際空間站上的金屬 3D 打印機在太空中 3D 打印而成,，展示了在微重力條件下成功制造的能力,。

增材制造是未來太空任務的關(guān)鍵技術(shù)

隨著月球和火星任務變得越來越頻繁和復雜，航天器的補給將變得越來越具有挑戰(zhàn)性,。太空增材制造提供了一種解決方案,，它允許宇航員根據(jù)需要制造必要的零件、維修設(shè)備和生產(chǎn)專用工具,。這減少了對補給任務的依賴,，并提高了太空機組人員的自主性,，這對于遠離地球的長期任務來說是一個關(guān)鍵優(yōu)勢,。

盡管國際空間站已經(jīng)擁有塑料 3D 打印機,，但 ESA 的技術(shù)演示器是首次在微重力條件下成功打印金屬部件。該打印機由空中客車公司及其合作伙伴制造,，英國克蘭菲爾德大學參與設(shè)計打印機的熔化過程和硬件,，以及其激光源、輸送光學系統(tǒng),、原料儲存和進料系統(tǒng),。打印操作由 CNES 從其國際空間站有效載荷控制中心監(jiān)督。

ESA 人類和機器人探索總監(jiān)Daniel Neuenschwander 表示：“隨著第一個金屬 3D 形狀在太空中的打印,，ESA 探索團隊在建立在軌制造能力方面取得了重要里程碑,。這一成就是由一支國際和多學科團隊實現(xiàn)的，為長距離和長期任務鋪平了道路,，在這些任務中,，按需制造備件、建筑部件和工具將至關(guān)重要,�,！�

歐空局機械部主任 Tommaso Ghidini 指出：“金屬 3D 太空打印是一項很有前途的技術(shù)，不僅能支持未來的探索活動,，還能通過現(xiàn)場制造,、修復和回收太空結(jié)構(gòu)為更可持續(xù)的太空活動做出貢獻，應用范圍廣泛,。這包括在軌大型基礎(chǔ)設(shè)施的制造和組裝以及人類在行星上的長期定居,。這些方面是歐空局即將推出的技術(shù)交叉計劃的重點�,！�

歐空局材料與工藝部門負責人托馬斯·羅爾補充道：“此次技術(shù)演示展示了微重力條件下金屬材料的加工,，為未來在地球以外制造基礎(chǔ)設(shè)施鋪平了道路�,！�