拋物線飛行：愛荷華州立大學(xué)零重力測試電動噴墨3D打印機

導(dǎo)讀：2022年3月，南極熊獲悉，愛荷華州立大學(xué)（Iowa State University）的研究人員已經(jīng)成功在零重力條件下測試了3D打印電子產(chǎn)品。

為了取代重力，此團隊利用電力將導(dǎo)電油墨逐層打印到玻璃基底上，從而創(chuàng)建復(fù)雜的電路。工程師們與美國國家航空航天局（NASA）合作，希望利用這一技術(shù)能夠在太空中生產(chǎn)傳感器，減少宇航員攜帶的備件，延長太空飛行的時間。

研究團隊的首席研究員Hantang Qin解釋道：“對于未來的NASA任務(wù)、太空探索任務(wù)，他們不僅希望能夠派人往返，而且還希望有長期可用的基礎(chǔ)設(shè)施，這就是我們正在努力的目標。我們正在制造打印機，可以在國際空間站(ISS)或火星上停留很長時間。”

△愛荷華州立大學(xué)NINJAS研究人員在拋物線試飛期間。照片來自 Steve Boxall/Zero-G。

即時維修電子產(chǎn)品

在航天器上，傳感器等電子設(shè)備損壞的情況并不少見，這會造成很嚴重的后果。例如，國際空間站上的濕度傳感器對機組人員的安全至關(guān)重要，如果設(shè)備出現(xiàn)故障，則需要緊急更換或維修。盡管向航天器上運送替代品或備件能夠解決這個問題，但這樣做會增加飛船的重量，增加執(zhí)行成本。

為了解決上述問題，一組被稱為航空航天無重力噴墨打印或"NINJAS"團隊的研究人員提出了另一種解決方案。他們以電動噴墨打印為原理，用正在申請專利的新型銀和鈦酸鋇墨水制造零件。

該團隊稱，這些材料非常適合生產(chǎn)電子產(chǎn)品，因為它們可以實現(xiàn)超穩(wěn)定、高分辨率的打印，并且通過進一步的研發(fā)，可以在太空或地面創(chuàng)造出新型柔性傳感器、軟機器人、電路板、半導(dǎo)體和其他微型設(shè)備。

作為測試方法的第一步，Hantang Qin和他的團隊在2021年底制造了一臺原型3D打印機，而愛荷華州的同事Shan Jiang則在他的實驗室工作，研究制備導(dǎo)電墨水。

Hantang Qin說：“我們實驗的目標是在微重力下打印導(dǎo)電電路圖案，我們測試了多種具有不同材料特性（例如密度、表面張力和介電常數(shù)）的墨水，同時確定了最佳操作條件，包括電壓、脈沖頻率和噴嘴方向?！?/div>

△領(lǐng)導(dǎo)愛荷華州立大學(xué)項目的Hantang Qin和Shan Jiang。照片來自愛荷華州立大學(xué)。

NINJAS 零重力實驗

在原型機制造完成后，NINJAS的工作人員就將其帶到佛羅里達州的勞德代爾堡，“登上”一架改裝過的飛機，在該飛機上模擬外太空的條件。這架飛機能夠通過以45°上下飛行，使團隊和他們的實驗品能夠在這條曲線的最頂端體驗到微重力下的失重狀態(tài)。

工程師們認為拋物線飛行測試是在不進入太空的情況下評估3D打印機性能的唯一方法，但在零重力下設(shè)法操作系統(tǒng)本身并不是一件容易的事，并將其描述為類似于“從30,000英尺高的建筑物跳下20-30秒?！痹擁椖繄F隊中的學(xué)生之一Matthew Marander解釋說：“適應(yīng)零重力環(huán)境不難，較難是適應(yīng)超重力、正常重力和零重力之間快速過渡的感覺。如此迅速地在這些狀態(tài)中切換會讓人感到有點迷失方向。”

對于此次測試，Jiang總結(jié)道，三天測試中的第一天對所有參與者來說都是一種學(xué)習(xí)經(jīng)歷，但在第二和第三天，團隊能夠利用3D打印技術(shù)打印一些漂亮的圖案。在取得初步成功之后，研究人員現(xiàn)在已經(jīng)加倍研究，在2022年5月的第二次測試之前，升級了打印系統(tǒng)和打印材料。整個團隊在420,000美元的資金支持下，希望最終能夠幫助NASA開發(fā)一個可以大大擴展在太空中制造的材料和設(shè)備的平臺，因此他們?yōu)樽约涸O(shè)定了一個長期目標，在提出2024年之前為國際空間站的打印機設(shè)計一個新型噴嘴頭。

△工作人員在國際空間站內(nèi)工作。照片來自NatGeo/ISS。

在軌3D打印在行動

●NASA繼續(xù)投入大量時間、精力和資金來開展低地球軌道(LEO) 3D打印實驗，其中最有前景的技術(shù)將在國際空間站上進行測試。就在去年，歐洲航天局的一個財團提出了一款早期的FFF 3D打印機，據(jù)說能夠創(chuàng)建“無限長”的零件，該打印機已被指定用于國際空間站。

●Made in Space（現(xiàn)為Redwire）等公司也曾幫助國際空間站建立打印系統(tǒng)，該公司在2019年為空間站開發(fā)了3D打印零件的塑料回收設(shè)施，被稱為“Braskem Recycler”。此機器能夠?qū)H空間站的塑料廢物轉(zhuǎn)化為原料，減少供應(yīng)任務(wù)，并建立近乎閉環(huán)的生產(chǎn)模式。

●除了國際空間站，慕尼黑應(yīng)用科技大學(xué)的研究人員還開發(fā)了一種在軌衛(wèi)星3D打印機，它可以在太空真空中制造太陽能電池板或天線。與愛荷華州的NINJAS計劃類似，該項目的啟動旨在減輕航天器上的重量，攜帶更多重要的貨物，例如燃料。

●中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心科研人員在杜本多夫利用歐洲失重飛機成功完成了國際首次微重力下陶瓷材料立體光刻成形技術(shù)試驗，為了將來能夠在空間站直接快速的制造出零部件，在太空直接組建大型望遠鏡或其他科學(xué)儀器。（世界首次微重力特種陶瓷3D打印研發(fā)成功-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺 (nanjixiong.com)

編譯來源：https://3dprintingindustry.com/news/new-method-of-3d-printing-electronics-tested-in-zero-gravity-by-iowa-state-ninjas-researchers-205994/