在轨制造！人类首次太空金属3D打印相关看点

2024年1月30日，首台前往国际空间站的金属3D打印机搭乘SpaceX 猎鹰9号火箭成功进入太空。该打印机专为微重力环境而开发，宇航员将在哥伦布欧洲科学舱上进行3D打印测试，从而为未来太空制造积累经验。

过去的十年间，太空3D打印经历了快速发展。2014年，第一台于塑料3D打印机进入空间站，宇航员已经用它们来更换或修复塑料部件。但金属3D打印将带来新的在轨制造能力，包括生产比塑料产品更高强度的承重结构部件。宇航员将能够直接制造扳手或安装接口等工具。3D打印的灵活性和快速可用性将极大提高宇航员的自主能力。

在未来几十年内，后勤限制将在未来的月球和火星站上加剧。尽管原材料仍需要发射，但在轨3D打印零件仍然比将其整个运输到最终目的地更有效。

虽然3D‍打印工艺在地球上已经被掌握，但在太空打印金属却面临着一系列技术挑战。

第一个是安装空间。在‍地球上，当前的金属3 打印机安装在至少10平方米的实验室中，为了创建国际空间站的原型，研究人员必须将3D打印机缩小到洗衣机的大小。将装备小型化，以便安装在国际空间站实验室的打印机架内。

第二个挑战是安全性。为保护空间站免受激光及其产生的热量造成的恶劣打印环境影响，打印机须安装于一个密封的金属盒中，如同一个保险箱。与此工艺兼容的金属合金的熔点可能远远超过1200°C（塑料的熔点约为 200°C），因此需要对热量严格控制。此外，无论是塑料还是金属，发出的烟雾都必须通过过滤器处理并在机器内部处理，以免污染空间站内的空气。安全和污染不仅是空间站管理的关键因素，也是未来在月球获火星上使用的关键驱动因素。

第三个挑战是微重力环境。当前，金属3D打印工艺种类繁多，粉末床激光3D打印是精度最高且制造质量最佳的工艺类型。但在微重力环境下，粉末难以铺设均匀。丝材打印相对来说不受重力影响，因此成为备选工艺类型。

此次向国际空间站发送金属3D打印机的项目被称为Metal3D ，由欧空局（ESA ）领导，多个工业和学术合作伙伴共同协作。空客公司、意大利航空航天公司Highftech Engineering、法国金属3D打印领导者AddUp以及克兰菲尔德大学是该项目的主要贡献者。每个合作伙伴在打印机的开发和实施过程中都发挥了关键作用。

送往国际空间站的第一台金属3D打印机规格

空客防务和航天团队负责管理该项目，负责集成打印机的组件和电源，并确保其与太空环境的兼容性。Highftech Engineering承担制造机器外壳并集成其流体管理系统。与此同时，AddUp在创建打印机的内部结构和机制方面发挥了重要作用，包括控制打印机的 PLC（可编程逻辑控制器）以及与地面控制通信的接口。

送往国际空间站的第一台金属3D打印机

克兰菲尔德大学的学者参与了打印机熔化工艺和硬件的设计，以及激光源、传输光学器件、原料存储和进料系统。制造专家需要考虑避免传热等风险因素，另一个挑战是电力可用性低，这需要高效的工艺来熔化金属。该校焊接和增材制造中心激光加工和增材制造高级讲师 Wojciech Suder 博士领导了打印机的设计。其表示，“我们之前测量过重力对太空液体的影响，但是由于涉及高温，用液态金属打印组件还未进行过实验。因此，我们的任务是设计一种热中性打印机，并且也不能向空间站发出热量或辐射。这意味着除了完全自主之外，它还必须满足许多要求。”

将要在太空进行熔丝3D打印

科学家们相信，未来在国际空间站将能够使用3D打印制造金属零件，允许快速更换组件或制造新组件，从而降低发射成本，并允许应急维修，当前的发送形式则过于昂贵。

由高功率激光器驱动的金属3D打印机以前从未在太空环境中进行过测试，科学家们将检查这次测试的数据，以了解微重力环境对工艺和零件性能的影响。为了评估金属3D打印机在太空中的性能，将打印四种不同的形状，并与在地球上制作的相同参考打印件进行比较。这些测试旨在了解太空环境如何影响打印过程。由于国际空间站的噪音规定，每天的打印时间限制为四个小时。

将要在太空进行3D打印的金属样品

太空3D打印速度将非常慢

打印完成后，这些零件将返回地球进行详细分析，包括进行机械强度、弯曲测试以及微观结构分析，并与地球制造的样本进行比较。其中一份样本将送往德国的欧洲宇航员中心，两份样本将送往欧空局的欧洲空间研究和技术中心，最后一份样本将送往丹麦技术大学进行热性能研究。

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将这些3D打印实验纳入即将到来的任务，延续了过去几年势头强劲的趋势。微重力下的 3D 打印具有许多优势，包括按需生产必要的工具和组件，以及减少对来自地球的大量货物运输的需求。由于需要能源和材料，太空中的金属3D打印极具挑战性，但这种创新概念可能会对人类维护航天器的能力产生巨大影响。

空间站上的金属3D打印将帮助科学家了解轨道上的打印是否会影响质量，这一开创性的技术示范项目不仅支持未来的月球和火星探索，而且标志着朝着可持续太空活动迈出的重要一步，包括太空结构的现场制造、修复和潜在回收。此次任务的成功可以为太空中更复杂的金属结构制造铺平道路，这是深空探索的关键资产。