奧本大學(xué)完成模擬零重力條件下納米顆粒3D打印機(jī)測試

2025年7月7日，南極熊獲悉，美國奧本大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系最近在NASA贊助的模擬零重力拋物線飛行中成功測試了一臺緊湊型納米顆粒3D打印機(jī)。這套設(shè)備展現(xiàn)出在軌道上直接制造柔性電子設(shè)備（例如傳感器、電路和天線）的巨大潛力。

這套系統(tǒng)由戈德博爾德電氣與計(jì)算機(jī)工程副教授 MasoudMahjouri-Samani 與研究生 Aarsh Patel 以及奧本大學(xué)研究與創(chuàng)新園區(qū)的研究工程師 Colton Bevel 合作開發(fā)。項(xiàng)目名為“太空干式打印電子和半導(dǎo)體設(shè)備”，今年早些時候獲得了 87 萬美元的資助，用于支持其開發(fā)和測試。

微重力飛行試驗(yàn)取得顯著成果

此次飛行測試于今年5月在堪薩斯州薩利納上空進(jìn)行，測試搭載的是一架改裝的波音727飛機(jī)，名為“Vomit Comet”。飛機(jī)完成了大約30個拋物線弧，每個拋物線弧提供23至25秒的微重力環(huán)境，在此期間，團(tuán)隊(duì)評估了LASED系統(tǒng)（激光燒蝕和燒結(jié)沉積）。

馬朱里-薩馬尼說道：“這是一次一次性的勝利。從第一個拋物線開始，這臺機(jī)器就打印得非常漂亮。首飛就取得如此高的成功率極其罕見。”他強(qiáng)調(diào)，能夠直接在太空中制造電子設(shè)備對于深空任務(wù)、低地球軌道運(yùn)行或延長國際空間站停留時間至關(guān)重要，因?yàn)樗梢詼p少對地面補(bǔ)給的依賴。

馬朱里-薩馬尼說：“在太空中，你想在需要的時候打印你需要的東西。這些可能是天線、溫度或濕度傳感器、機(jī)組人員健康監(jiān)測器——甚至是化學(xué)傳感器。我們可以在現(xiàn)場設(shè)計(jì)和制造自己的電路?！?/div>

△MasoudMahjouri-Samani 和研究人員在零重力環(huán)境下測試緊湊型納米顆粒 3D 打印機(jī)。圖片來自奧本大學(xué)

用于太空的緊湊型全自動系統(tǒng)

LASED 打印機(jī)每邊僅 24 英寸，功耗低于 500 瓦，非常適合部署在國際空間站或未來的月球任務(wù)中。盡管占地面積小，但它配備了全自動系統(tǒng)，包括納米顆粒生成、材料輸送和燒結(jié)。

這款打印機(jī)的設(shè)計(jì)注重韌性，能夠承受高達(dá) 18G 的重力，遠(yuǎn)超飛行時承受的 2G。Mahjouri-Samani 解釋道：“我們做了大量的模擬和計(jì)算，以確保它能夠承受起飛、降落以及劇烈的重力變化?！?/div>

與其他通常需要多次飛行才能打印出可用打印件的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不同，LASED 能夠立即提供一致的結(jié)果。真正的問題是：它能在零重力環(huán)境下打印嗎？答案是肯定的。這臺打印機(jī)高度自動化。你只需按下‘打印’鍵，然后放手。它穩(wěn)定、一致且精確。

△研究人員在零重力環(huán)境下測試緊湊型納米顆粒3D打印機(jī)。圖片來自奧本大學(xué)

下一步：邁向在軌制造

研究團(tuán)隊(duì)已向NASA提交了一份技術(shù)報(bào)告，目前正在進(jìn)行全面的比較研究。即將發(fā)布的報(bào)告將分析各種打印特性，例如粗糙度、厚度和電阻率，并將微重力環(huán)境下生產(chǎn)的部件與地球上生產(chǎn)的部件進(jìn)行比較。

研究團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃進(jìn)行第二次拋物線飛行，以探索半導(dǎo)體打印技術(shù)并模擬更先進(jìn)的太空條件。“如果這臺打印機(jī)在零重力環(huán)境下運(yùn)行如此良好，或許我們應(yīng)該考慮將其送上太空，”他說。“這對我們的打印機(jī)來說是一小步，但對太空制造來說卻是一大步?！?/div>

推進(jìn)太空制造

最近，格拉斯哥大學(xué)詹姆斯·瓦特工程學(xué)院的研究人員開發(fā)了一套專為微重力環(huán)境設(shè)計(jì)的3D打印系統(tǒng)，旨在克服太空結(jié)構(gòu)制造的挑戰(zhàn)。項(xiàng)目由吉爾斯·貝萊特博士領(lǐng)導(dǎo)，已獲得多方資助，并已在歐洲航天局的拋物線飛行任務(wù)中進(jìn)行了測試，證明了使用顆粒狀原料而非傳統(tǒng)絲材的可靠材料流動。未來計(jì)劃包括爭取更多資金并進(jìn)行太空演示，重點(diǎn)是減少對地球補(bǔ)給的依賴并解決對太空垃圾的擔(dān)憂。

今年3月，作為歐洲航天局（ESA）“Metal3D”項(xiàng)目的一部分，首個在太空中制造的金屬3D打印部件返回地球進(jìn)行測試。該部件樣品由ESA的金屬3D打印機(jī)在國際空間站（ISS）上制造，現(xiàn)已送至ESA位于荷蘭的歐洲空間研究與技術(shù)中心（ESTEC），并將在那里進(jìn)行測試。