威斯康辛大學(xué)工程師在零重力下 3D 打印電子元件，攻克太空制造新挑戰(zhàn)

導(dǎo)讀：在未來(lái)宇航員進(jìn)行長(zhǎng)途太空飛行的情況下，他們將無(wú)法像今天那樣要求地面運(yùn)送替換硬件組件。在人類深入太空探索之前，工程師需要解決宇航員裝備不可避免的磨損帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

2024年5月21日，南極熊獲悉，來(lái)自威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的研究人員在太空制造方面取得了新的突破，他們首次在“零重力”下成功 3D 打印RAM 設(shè)備單元，向替代電子元件的太空制造邁出了一步。該團(tuán)隊(duì)于 2024 年 3 月在勞德代爾堡-好萊塢國(guó)際機(jī)場(chǎng)的拋物線試飛中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

△威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的研究人員首次在零重力下成功 3D 打印 RAM 設(shè)備單元，向替代電子元件的太空制造邁出了一步。照片中從左到右，Khawlah Ahmad Alharbi、Xuepeng Jiang、Renjie Nie、Hantang Qing、Rayne Wolf、Pengyu Zhu 和 Jacob Kocemba 在 G-Force One 旁邊擺姿勢(shì)，他們?cè)谶@架飛機(jī)上測(cè)試了零重力 3D 打印技術(shù)。照片：威斯康星大學(xué)麥迪遜分校

美國(guó)宇航局（NASA）資助了這項(xiàng)由威斯康星大學(xué)工業(yè)與系統(tǒng)工程助理教授Hantangqin領(lǐng)導(dǎo)的研究，該研究旨在開(kāi)發(fā)半導(dǎo)體、執(zhí)行器和傳感器等電子元件的太空制造能力。這將為在太空進(jìn)行維修提供一種可行的選擇，而無(wú)需運(yùn)輸替換零件。

該小組在前兩次拋物線試飛中遇到了技術(shù)故障——大約 40 分鐘的短途飛行，包括上升和潛水，模擬短暫的零重力。研究人員在第三次也是最后一次飛行前花了一周的時(shí)間，每天 12 到 15 個(gè)小時(shí)來(lái)排除故障的潛在原因。

來(lái)自威斯康星州波托西的博士生、該團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人之一雷恩·沃爾夫 (Rayne Wolf)表示這些實(shí)驗(yàn)很大程度上依賴于這些實(shí)驗(yàn)。

傳統(tǒng)的 3D 打印依賴于重力，即從打印機(jī)噴嘴中擠出材料，這在所謂的零重力環(huán)境中提出了重大挑戰(zhàn)。由助理教授 Hantangqin 領(lǐng)導(dǎo)的威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種替代方案：電流體動(dòng)力(EHD) 打印。EHD 打印利用電力推動(dòng)液體材料通過(guò)直徑僅30 微米的噴嘴（約為單根羊毛纖維的平均寬度），有效克服表面張力，否則會(huì)阻止材料流動(dòng)。

△電流體動(dòng)力噴射打印實(shí)驗(yàn)裝置。

Hantangqin教授說(shuō)：“在這種小規(guī)模下，表面張力會(huì)阻止液體從噴嘴流出，他的團(tuán)隊(duì)正在與愛(ài)荷華州立大學(xué)、亞利桑那州立大學(xué)、英特爾和其他行業(yè)合作伙伴的研究人員合作。然后我們施加這種電力來(lái)打破這種表面張力。EHD 打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)超出了其在零重力環(huán)境中發(fā)揮作用的能力。對(duì)于傳統(tǒng) 3D 打印，噴嘴尺寸基本上決定了液滴尺寸。但是使用我們的打印系統(tǒng)，我們可以使液滴比噴嘴的尺寸小得多。只要有 2 微米的噴嘴，我們就可以制作納米級(jí)圖案。這就是它的巨大優(yōu)勢(shì)。”

該團(tuán)隊(duì)最終查明了阻礙前兩次飛行測(cè)試的故障：飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)導(dǎo)致打印機(jī)的校準(zhǔn)傳感器出現(xiàn)問(wèn)題。他們通過(guò)重寫(xiě)一些系統(tǒng)代碼來(lái)補(bǔ)償振動(dòng)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，電氣和計(jì)算機(jī)工程研究生張鵬宇在零重力下編寫(xiě)了代碼，解決了這個(gè)問(wèn)題。

在最初的試飛過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)面臨著由飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)引起的校準(zhǔn)問(wèn)題。他們通過(guò)重寫(xiě)系統(tǒng)代碼解決了這個(gè)問(wèn)題，從而在最后一次飛行中成功打印。在手動(dòng)控制下，EHD 打印機(jī)使用氧化鋅（一種半導(dǎo)體墨水）生產(chǎn)了十多個(gè)，并使用聚二甲基硅氧烷（一種絕緣聚合物墨水）生產(chǎn)了更多單位。

在小組的最后一次試飛中，所有的工作都得到了回報(bào)。在 Wolf 和 Jacob Kocemba（威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校 2023 屆畢業(yè)生，目前在伊利諾伊大學(xué)繼續(xù)學(xué)習(xí)）的手動(dòng)控制下，實(shí)驗(yàn)室的 EHD 打印機(jī)成功生產(chǎn)了十多個(gè)單元，并使用聚二甲基硅氧烷（一種絕緣聚合物墨水）生產(chǎn)了更多單元。

臨時(shí)實(shí)驗(yàn)室的飛行后分析證實(shí)了打印機(jī)在微米和納米級(jí)水平上的成功。該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在 2024 年 8 月和 11 月進(jìn)行額外的試飛，旨在將其 EHD 技術(shù)集成到行業(yè)合作伙伴的多功能工具 3D 打印機(jī)中。未來(lái)的目標(biāo)包括從打印單個(gè)單元發(fā)展到完整的半導(dǎo)體設(shè)備，并最終在國(guó)際空間站上測(cè)試其技術(shù)。實(shí)現(xiàn)這些里程碑將標(biāo)志著可持續(xù)和自主太空制造能力取得重大進(jìn)展。