為將金屬3D打印機(jī)送入太空，伯明翰大學(xué)做了哪些努力？

將3D打印機(jī)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(bào)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(jī)送入國際空間站，讓這些3D打印機(jī)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(jí)3D打印機(jī)制造商nScrypt和生物墨水供應(yīng)商Bioficial Org等機(jī)構(gòu)共同研發(fā)的太空生物3D打印機(jī)，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(jī)的太空之旅并不僅限于塑料和生物3D打印機(jī)，將金屬3D打印機(jī)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(shí)驗(yàn)室（AMP Lab）的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)已經(jīng)研發(fā)出微重力金屬3D打印機(jī)，在條件成熟的情況下這臺(tái)金屬3D打印機(jī)也將被到國際空間站中。伯明翰大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在研發(fā)這臺(tái)特殊的金屬3D打印機(jī)過程中有哪些需要解決的問題？這臺(tái)3D打印機(jī)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(huì)漂浮起來，金屬3D打印常用的粉末材料也不會(huì)例外，他們不會(huì)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(huì)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(duì)是如何解決這個(gè)問題的呢？伯明翰大學(xué)研發(fā)的微重力金屬3D打印機(jī)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(jī)，加熱至其熔點(diǎn)，并擠壓成指定形狀。隨著鋁冷卻，其表面張力會(huì)使打印材料逐層融合在一起，在這個(gè)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(shí)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(jī)加工來達(dá)到最終的精度。出于這個(gè)原因，伯明翰大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)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(tái)金屬3D打印機(jī)還需要有一臺(tái)CNC機(jī)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(duì)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(diǎn)中。

研究團(tuán)隊(duì)還有一個(gè)需要考慮到的問題是金屬3D打印機(jī)在國際空間站中的供電需求，研究團(tuán)隊(duì)需要確保金屬3D打印機(jī)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(jī)已實(shí)現(xiàn)這個(gè)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(jī)從項(xiàng)目發(fā)起到打印機(jī)誕生經(jīng)歷了大約三年時(shí)間。伯明翰大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)與歐洲宇航局的工程師共同對(duì)這臺(tái)金屬3D打印機(jī)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(jī)上進(jìn)行的，每架飛機(jī)都進(jìn)行了31次微重力拋物線飛行，每次持續(xù)時(shí)間為22秒，總測試時(shí)長超過半個(gè)小時(shí)。

圖片來源：Novespace

22秒鐘的測試時(shí)間聽起來很短暫，但對(duì)于Cater的研發(fā)團(tuán)隊(duì)來說已經(jīng)獲取了豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并成功驗(yàn)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(shí)現(xiàn)金屬沉積的構(gòu)想是行之有效的。在失重測試時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)還試驗(yàn)了沉積非常薄的金屬材料，該試驗(yàn)取得了積極的效果。

對(duì)微重力金屬3D打印機(jī)的初期測試取得了良好效果，研究團(tuán)隊(duì)的下一個(gè)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(shí)產(chǎn)生的熱量會(huì)讓周圍溫度升至500-600度，研究團(tuán)隊(duì)需要測試多種冷卻方法來實(shí)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(tái)金屬3D打印機(jī)何時(shí)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(xiàng)艱巨的任務(wù)，完美的情況下在2020年有望實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。

來源：3d科學(xué)谷
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