為將金屬3D打印機送入太空，伯明翰大學(xué)做了哪些努力,？

將3D打印機送入太空早已出現(xiàn)在人類太空探索的日程表中,，南極熊之前報道過，美國航空航天局（NASA）和歐洲航天局(ESA)先后將塑料3D打印機送入國際空間站,，讓這些3D打印機在失重的環(huán)境中進(jìn)行工作,，為空間站快速制造小型塑料零部件。在NASA的組織下,，由工業(yè)級3D打印機制造商nScrypt和生物墨水供應(yīng)商Bioficial Org等機構(gòu)共同研發(fā)的太空生物3D打印機,，也已經(jīng)通過了失重狀態(tài)下的人體組織3D打印的測試，為下一步進(jìn)入太空做了準(zhǔn)備,。

3D打印機的太空之旅并不僅限于塑料和生物3D打印機,，將金屬3D打印機送到國際空間站中也已經(jīng)提上日程。英國伯明翰大學(xué)先進(jìn)材料和工藝實驗室（AMP Lab）的科學(xué)家團(tuán)隊已經(jīng)研發(fā)出微重力金屬3D打印機,，在條件成熟的情況下這臺金屬3D打印機也將被到國際空間站中,。伯明翰大學(xué)的研究團(tuán)隊在研發(fā)這臺特殊的金屬3D打印機過程中有哪些需要解決的問題？這臺3D打印機又有什么特別之處,？

克服失重,，解決后處理和功率問題
我們可以想象一下，在失重的情況下任何人和物都會漂浮起來,，金屬3D打印常用的粉末材料也不會例外,，他們不會靜靜的保持在粉末箱中的固定位置等待激光器將它們進(jìn)行熔化，而是會漂浮起來,。因此確保在沒有重力的情況下將金屬打印材料進(jìn)行熔化并沉積在指定位置是在太空中完成金屬3D打印所需要解決的問題,。

圖片來源：Amanda Field

那么伯明翰大學(xué)的研發(fā)團(tuán)隊是如何解決這個問題的呢？伯明翰大學(xué)研發(fā)的微重力金屬3D打印機可以進(jìn)行鋁金屬的3D打印,，而打印材料并不是鋁金屬粉末,，而是鋁金屬絲材，金屬絲材的3D打印技術(shù)為直接能量沉積（DED）3D打印技術(shù),。在打印中鋁金屬絲材被送入3D打印機,，加熱至其熔點，并擠壓成指定形狀,。隨著鋁冷卻,，其表面張力會使打印材料逐層融合在一起，在這個過程中不需要依靠重力,。

3D打印完成之后需要有后處理環(huán)節(jié),，在國際空間站中進(jìn)行金屬3D打印也不例外,。因此，如何在空間站中進(jìn)行金屬3D打印零部件的后處理也是伯明翰大學(xué)需要解決的問題,。伯明翰大學(xué)使用的金屬3D打印技術(shù)與Norsk Titanium的快速等離子沉積技術(shù)類似,，無需模具直接實現(xiàn)金屬零部件的自由近凈成形。不過在完成零部件的3D打印之后還需要通過機加工來達(dá)到最終的精度,。出于這個原因,，伯明翰大學(xué)研究團(tuán)隊的負(fù)責(zé)人Carter教授認(rèn)為若要在國際空間站上完成金屬零部件的快速制造，除了這臺金屬3D打印機還需要有一臺CNC機床,，以完成零部件的精加工,。去除打印中產(chǎn)生的支撐結(jié)構(gòu)也是后處理環(huán)節(jié)需要考慮到的問題，對此Carter教授認(rèn)為應(yīng)將支撐結(jié)構(gòu)添加在零件內(nèi)部易于去除支撐的薄弱點中,。

研究團(tuán)隊還有一個需要考慮到的問題是金屬3D打印機在國際空間站中的供電需求,，研究團(tuán)隊需要確保金屬3D打印機的功率小于1500瓦，現(xiàn)階段研發(fā)出的微重力金屬3D打印機已實現(xiàn)這個目標(biāo),，該設(shè)備的功率為1300瓦,，比一些廚用電熱水壺的功率還要小。

失重測試結(jié)果如何,？
伯明翰大學(xué)的微重力金屬3D打印機從項目發(fā)起到打印機誕生經(jīng)歷了大約三年時間,。伯明翰大學(xué)的研究團(tuán)隊與歐洲宇航局的工程師共同對這臺金屬3D打印機進(jìn)行了在微重力環(huán)境下測試，測試過程是在三架空客微重力測試的飛機上進(jìn)行的,，每架飛機都進(jìn)行了31次微重力拋物線飛行,，每次持續(xù)時間為22秒，總測試時長超過半個小時,。

圖片來源：Novespace

22秒鐘的測試時間聽起來很短暫,，但對于Cater的研發(fā)團(tuán)隊來說已經(jīng)獲取了豐富的實驗數(shù)據(jù),，并成功驗證了他們在微重力環(huán)境下利用金屬材料熔化的表面張力來實現(xiàn)金屬沉積的構(gòu)想是行之有效的,。在失重測試時，研究團(tuán)隊還試驗了沉積非常薄的金屬材料,，該試驗取得了積極的效果,。

對微重力金屬3D打印機的初期測試取得了良好效果，研究團(tuán)隊的下一個目標(biāo)是解決如何在國際空間站的失重環(huán)境下讓打印環(huán)境保持恒溫的問題,，在國際空間站的環(huán)境中鋁金屬熔化時產(chǎn)生的熱量會讓周圍溫度升至500-600度,，研究團(tuán)隊需要測試多種冷卻方法來實現(xiàn)恒溫。

在太空失重環(huán)境下進(jìn)行金屬3D打印的第一步已經(jīng)完成了,，伯明翰大學(xué)研發(fā)的這臺金屬3D打印機何時可以送入國際空間站中開啟真正的金屬3D打印太空之旅,？ 研發(fā)負(fù)責(zé)人Carter教授表示這是一項艱巨的任務(wù)，完美的情況下在2020年有望實現(xiàn)這個目標(biāo),。

來源：3d科學(xué)谷
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