《Nature》子刊發(fā)表研究成果，太空微重力環(huán)境下金屬打印實(shí)驗(yàn)取得重大突破

來源：先進(jìn)增材工藝

金屬增材制造，尤其是基于激光的粉末床熔合技術(shù)，在航空航天領(lǐng)域中大大節(jié)省材料和時間，提高了質(zhì)量。盡管已有空間站和對月球的探索，但這些里程碑任務(wù)尚未配備在太空中制造金屬部件的技術(shù)，因此開發(fā)和使用太空制造（ISM）和就地資源利用（ISRU）技術(shù)至關(guān)重要。

2023年10月6日，德國航空和航天中心（DLR）材料物理研究所與德國聯(lián)邦材料研究和測試機(jī)構(gòu)（BAM）聯(lián)合在《NPJ Microgravity》期刊發(fā)表最新研究成果“Additive manufacturing of metallic glass from powder in space”，研究人員在這里提出了一種在微重力下使用金屬粉末建造零件的設(shè)備。這已在幾次探測火箭飛行中得到驗(yàn)證，在這些飛行中，通過太空中的增材制造技術(shù)制造的基于鋯的金屬玻璃部件被成功構(gòu)建。研究結(jié)果充分證明了在微重力條件下進(jìn)行增材制造的可行性，并強(qiáng)調(diào)了進(jìn)一步研究和優(yōu)化的潛力。這顯著推進(jìn)了ISRU和ISM，并為未來在長時間微重力環(huán)境中的測試鋪平了道路。德國航空和航天中心（DLR）材料物理研究所Christian Neumann.為通訊作者。


增材制造（AM）為太空飛行帶來了革命性的潛力，其中，基于激光的粉床熔化（PBF-LB）技術(shù)因其在各種材料上的適用性而受到關(guān)注。與此同時，金屬玻璃因其優(yōu)越的耐腐蝕性和機(jī)械性能而備受矚目，但其在鑄造中的尺寸限制一直是一個問題。為了探索在微重力環(huán)境下結(jié)合PBF-LB和金屬玻璃的潛力，研究人員選擇了發(fā)聲火箭作為實(shí)驗(yàn)環(huán)境，這被視為未來在軌AM設(shè)備發(fā)展的關(guān)鍵步驟。

研究人員通過獨(dú)立于重力環(huán)境的粉末工藝中用塊狀金屬玻璃制造零件實(shí)驗(yàn)，由此設(shè)計和建造了稱為MARS-M的設(shè)備(Multimaterial Additive manufacturing for Research and Space-flight for MAPHEUS)，總長 700 毫米，直徑438 毫米，凈重 44 公斤，火箭有效載荷的外部結(jié)構(gòu)為12 公斤。它包含一個緊密輕便的全自動策卡爾AMI 設(shè)備，包括控制計算、數(shù)據(jù)采集和處理、粉末穩(wěn)定和電力供應(yīng)，使用PBF‑LB（即使用粉末原料）在微重力下增材制造金屬玻璃零件。

圖1. MARS-M火箭有效載荷模塊。MARS-M(左)，其中的一部分MAPHEUS-10火箭有效載荷(右)。

圖2.裝有構(gòu)建平臺（此處沒有粉末）和粉末容器的墨盒

圖3.硬件和通訊系統(tǒng)圖

圖4.具有不同參數(shù)的 AMZ4 示例。參數(shù)的差異導(dǎo)致了表面光滑度和光澤的光學(xué)差異。在激光功率最低的地方，表面的光滑度也是最低的。而在最高的地方，區(qū)分構(gòu)建段落的各個線條變得更加困難�？傮w尺寸約為26 mm × 28 mm。（AMZ4 現(xiàn)稱為AMLOY-Zr01，工業(yè)級，Heraeus AMLOY）

圖5.分段“A +  B”掃描策略的示意圖。激光沿著垂直于圖形的方向移動，每一層與前一層相對錯開半個孔距。

圖6. 由八層 AMZ4 粉末制成的部件

MARS-M設(shè)備特點(diǎn)

1.機(jī)械裝置
MARS-M 快速成型制造系統(tǒng)中使用的機(jī)械設(shè)備包括用于激光掃描和粉末層應(yīng)用的 X 軸和 Y 軸、用于構(gòu)建平臺位移的垂直 Z 軸以及用于粉末層應(yīng)用的附加 E 軸。X 軸和 Y 軸使用自潤滑聚合物軸承，而 E 軸使用干運(yùn)轉(zhuǎn)軸承。每個軸都由步進(jìn)驅(qū)動器驅(qū)動，并由光學(xué)末端停止開關(guān)限制。

2.激光系統(tǒng)
MARS-M裝置中使用的激光系統(tǒng)設(shè)計用于承受飛行過程中所受的力，并獨(dú)立于空氣對流運(yùn)行。它由作為光源的光纖耦合二極管激光器、連接到光纖端的激光光學(xué)器件、二極管驅(qū)動電子器件和冷卻系統(tǒng)組成。激光二極管模塊在976nm的波長下提供283W的最大光功率。激光系統(tǒng)設(shè)計緊湊、重量輕，確保其適用于太空應(yīng)用。

3.壓力室
MARS-M設(shè)備中的壓力室旨在為增材制造實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造一個可控的環(huán)境。它是密封的，以此在加工過程中保持恒定的壓力和氧氣濃度。該艙室可承受疏散和太空飛行期間的壓差，包括一個用于固定構(gòu)建平臺和粉末容器的藥筒，便于在飛行配置過程中進(jìn)行更換。

4.構(gòu)建平臺
MARS-M 快速成型制造系統(tǒng)使用的制造平臺是一個 45 毫米 x 45 毫米的平臺，由 5 毫米厚的多孔不銹鋼燒結(jié)體制成。它的孔徑為 8 微米，設(shè)計用于承受飛行過程中產(chǎn)生的力。

5.遠(yuǎn)程控制
該設(shè)備控制器板具有控制步進(jìn)驅(qū)動器、激光功率和電源開關(guān)的接口，以讀取和寫入數(shù)字輸入以及讀取和讀取數(shù)據(jù)、控制溫度。該板通過板載驅(qū)動器控制 X、Y、Z  和  E  軸的步進(jìn)驅(qū)動器以及相應(yīng)的終點(diǎn)擋塊和位置開關(guān)。

關(guān)鍵結(jié)論
1.MARS-M設(shè)備是一種在太空中進(jìn)行增材制造實(shí)驗(yàn)的先進(jìn)設(shè)備。它具有自動化控制、緊湊輕便的機(jī)械結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的激光系統(tǒng)，可以在微重力環(huán)境中進(jìn)行部件建造。

2.該設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用了耐磨性好的聚合物軸承和碳纖維增強(qiáng)聚合物材料，以減輕重量，并且具有足夠的強(qiáng)度來承受不同飛行階段的靜態(tài)和動態(tài)負(fù)載。

3.激光系統(tǒng)采用光纖耦合二極管激光器，具有高功率和穩(wěn)定的輸出。為了在太空中進(jìn)行連續(xù)工作，采用了一種特殊的冷卻系統(tǒng)，以確保激光器的穩(wěn)定性。

4.壓力室和氣體流動系統(tǒng)確保了建造過程在恒定的氣壓和氧氣濃度下進(jìn)行。通過閉環(huán)氣體流動系統(tǒng)，粉末顆�？梢员煌葡蚪ㄔ炱脚_，實(shí)現(xiàn)部件的建造。


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Neumann, C., Thore, J., Clozel, M.et al. Additive manufacturing of metallic glass from powder in space. npj Microgravity 9, 80 (2023). https://doi.org/10.1038/s41526-023-00327-7