長(cháng)征五號B火箭成功發(fā)射！3D打印金屬/陶瓷復合材料微米級在軌制造?

長(cháng)征五號B火箭成功發(fā)射！3D打印金屬/陶瓷復合材料微米級在軌制造 
2020年5月5日18時(shí)0分，長(cháng)征五號B搭載新一代載人飛船試驗船和柔性充氣式貨物返回艙試驗艙，從文昌航天發(fā)射場(chǎng)點(diǎn)火升空。約488秒后，載荷組合體與火箭成功分離進(jìn)入預定軌道，我國空間站階段的首次飛行任務(wù)告捷。

 

 

長(cháng)征五號B火箭成功發(fā)射！3D打印金屬/陶瓷復合材料微米級在軌制造

長(cháng)征5號B火箭

 

 

在本次任務(wù)中，由中國科學(xué)院牽頭負責的空間應用系統在新飛船試驗船安排了在軌精細成型實(shí)驗、材料摩擦行為實(shí)驗、微重力測量試驗等三項科學(xué)實(shí)（試）驗，將為未來(lái)我國空間站建設運營(yíng)以及走向更遙遠的深空，進(jìn)行前瞻科學(xué)研究和技術(shù)驗證。

 

 

長(cháng)征五號B火箭成功發(fā)射！3D打印金屬/陶瓷復合材料微米級在軌制造

3D打印技術(shù)對金屬/陶瓷復合材料進(jìn)行微米級精度的在軌制造設備

 

 

中科院空間應用中心的太空3D打印研究

據介紹，這次長(cháng)征五號B火箭成功把我國新一代載人飛船試驗船送入了預定軌道，可以為我國太空3D打印提供了很好的研究機會(huì )。

為進(jìn)一步提升制造精度、擴大可用于太空制造的材料譜系，由中科院空間應用中心研究團隊研制的“在軌精細成型實(shí)驗裝置”將創(chuàng )新采用立體光刻3D打印技術(shù)對金屬/陶瓷復合材料進(jìn)行微米級精度的在軌制造。

太空失重環(huán)境是立體光刻技術(shù)面臨的主要挑戰之一，普通的打印漿料在失重條件下無(wú)法保持穩定形態(tài)，會(huì )發(fā)生爬壁導致液面起伏影響打印，通過(guò)國內外失重飛機，先后進(jìn)行了數百次微重力環(huán)境下的實(shí)驗，對漿料在失重條件下的流變行為及內在機理進(jìn)行了分析，利用化學(xué)及物理方法對漿料進(jìn)行優(yōu)化使其從液態(tài)變?yōu)檐浳镔|(zhì)形態(tài)，軟物質(zhì)特有的屈服應力在失重條件下抵抗形變，抑制爬壁，且在較高剪切力作用下其又可以恢復良好的流動(dòng)性，保證了3D打印順利進(jìn)行。

 

 

長(cháng)征五號B火箭成功發(fā)射！3D打印金屬/陶瓷復合材料微米級在軌制造

2018年中科院太空制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室在微重力下試驗3D打印

 

 

據了解，中國科學(xué)院太空制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室（CAS Key Laboratory of Space Manufacturing Technology, SMT）成立于2017年底，依托中國科學(xué)院空間應用工程與技術(shù)中心，是一個(gè)以“太空制造技術(shù)”為研究專(zhuān)題的科研實(shí)體。

早在2018年6月13日，中科院太空制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室（依托單位為空間應用中心）科研人員在瑞士杜本多夫利用歐洲失重飛機圓滿(mǎn)完成了國際首次微重力環(huán)境下陶瓷材料立體光刻成形技術(shù)試驗和基于陶瓷模具的金屬材料微重力環(huán)境下鑄造技術(shù)試驗，獲得多個(gè)完好的制造樣品及豐富的實(shí)驗數據。

 

 

 

長(cháng)征五號B火箭成功發(fā)射！3D打印金屬/陶瓷復合材料微米級在軌制造

微重力下光固化3D打印陶瓷樣件

 

 

長(cháng)征五號B火箭成功發(fā)射！3D打印金屬/陶瓷復合材料微米級在軌制造

微重力下3D打印金屬樣件

 

 

太空3D打印的作用和優(yōu)勢

一般來(lái)說(shuō)，當國際空間站內缺少某種工具或部件時(shí)，宇航員們就得花上數周甚至數月等待地面送來(lái)物資補給。有了太空3D打印機，技術(shù)人員在地球上設定出物品的制造程序（也就是設計模型文件），然后用電子郵件發(fā)送至國際空間站，整個(gè)過(guò)程耗時(shí)不到一周；而實(shí)際打印時(shí)間只有約4小時(shí)。

除了時(shí)間成本，太空3D打印所節約的運輸成本同樣可觀(guān)?？臻g站、基地或復雜航天器的系統由許多部分組成。盡管在建造時(shí)就力求可靠，但仍然面臨著(zhù)零件損壞、系統升級等問(wèn)題。如果攜帶大量預制零件進(jìn)入太空，就會(huì )大大增加高昂的發(fā)射費用。如采用太空3D打印技術(shù)，只需將原材料和輕型打印機帶入太空，從而就地制造所需零部件，最大限度減少發(fā)射重量并提高工作效率。未來(lái)，當人類(lèi)能夠從其他星球表面開(kāi)采原材料時(shí)，還能在太空建立“零件工廠(chǎng)”，進(jìn)一步減輕航天器的發(fā)射重量，節約空間。

 

 

長(cháng)征五號B火箭成功發(fā)射！3D打印金屬/陶瓷復合材料微米級在軌制造

美國NASA國際空間站上的太空3D打印機

 

 

2014年，NASA研制的世界上首臺太空3D打印機抵達國際空間站，揭開(kāi)了人類(lèi)“太空制造”的序幕。


3D打印技術(shù)在太空的操作環(huán)境與地球大不相同，技術(shù)難度也不一。在地球上，依靠重力，3D打印機擠出的加熱塑料、金屬或其他材料能自然地沉積，一層一層打印出三維物體。而在太空零重力條件下，需要使用以給定速率旋轉的離心機來(lái)確保材料沉積到位，或者修改3D打印的過(guò)程來(lái)使設備平穩運行。不過(guò)，原本基于地球的3D打印技術(shù)更容易適應有著(zhù)微重力環(huán)境的月球和火星。