深度解读：微重力金属3D打印前景分析

微重力的金属3D打印正在引起科学家和航空航天工程师日益增长的兴趣，尤其是在国际空间站的这种活动中。德国和法国的研究人员在最近发表的“以μ-重力实现金属部件的3D打印”中探讨了微重力印刷的主题。研究团队关注制定太空工作和生活的策略，深入研究可能面临的挑战。金属添加剂制造 ，重力很小。

增材制造一直是全球许多不同公司和组织的福音，尤其是航空航天领域和NASA。由于创建备件可能非常昂贵且具有挑战性，因此3D打印和AM流程具有诸多优势，如指数级更高的可承受性，生产速度等，包括机器人的集成。在这项研究中，研究人员的目标是在空间中制造1至500毫米的金属部件。同时还可以创建更大的结构，允许航天器上的几乎所有部件通过激光束熔化（LBM）以及从钛到镍基合金的各种材料制造。

LBM技术目前正在许多不同的应用中使用，包括：
汽车
航天
工具制造
医辽

“选择LBM作为制造航空航天部件的工艺主要是基于加工部件所需的原材料与部件本身重量之间的重量比。对于传统制造技术而言，飞行部件的“购买 - 飞行”比率可能高达15-20，为材料和加工部件增加了大量成本。“研究人员表示。

LBM工艺有了一系列优势，首先是零件可以制造成几乎任何形状，由粉末制成，如果有的话，几乎不会产生任何浪费。处理备件是关键 - 特别是今天在国际空间站，在过去的货运中已知由于发射不成功而失败。即使在空间站中的太空行走丢失工具也可能对宇航员和任务造成问题。据了解，约占国际空间站所有备件的2％，总计约2000个组件，可能会随时丢失。”

3D打印是合理的选择，因为可以通过电子邮件发送3D文件，以便按需和现场创建零件。通过“虚拟工具箱”工作，以及依靠从地球发送的文件，宇航员可以看到他们的工作在未来更加精简。特别是如果他们生活在远离火星的地方，那里的再补给任务很少或者不可能。其中很大程度上取决于微重力制造的成功以否，以及3D打印机和材料与工作人员一起发送的要求。

到达国际空间站，月球和火星所需的时间与它们到地球的距离有关。到达相应物体所需行程时间的值基于不同飞行轨迹和机动的文献值。考虑的地月距离是近地点;对于地球 - 火星距离，填充符号表示平均最小距离，每个≈26个月达到。开放符号表示地球 - 火星和假设飞行时间的最大距离，尽管可以预期只有当火星接近其最小距离时，飞行任务才是可行的。

目前，国际空间站使用FM 3D打印机，这是由Made in Space提供的。宇航员也非常着名地制造了许多3D打印部件，主要是工具的形式，扳手是他们的第一次成功。虽然这是一项巨大的成就，但FDM打印机可能过于基本，无法满足未来不断扩展的需求，并且功能优先。

粉末沉积单元的示意图。用于粉末沉积的多孔建筑平台的面积为106.5×85.5mm 2。

“基于激光的AM特别能够在太空中制造高性能金属和热塑性聚合物，”研究人员表示。虽然以前一直认为粉末太难以在太空生产，但研究小组解释说，新的进展可以使LBM工艺适用于μ-g环境，使用一种技术可以通过产生气流来稳定太空中的粉末整个粉末床。多孔建筑平台用作过滤器，用于“固定气流中的金属颗粒”。

“可以证明，对于直径为38μm的颗粒（即D50），气流提供的阻力与μ-g加速条件下作用于颗粒的力（<0.01 g）相当甚至超过研究人员总结说：“这项工作中使用的粉末”。“在这项研究中，全球第一个金属工具，12毫米扳手由LBM在μ-g条件下制造。此外，其他部件是由抛物线飞行提供的不同加速度制造的，即超重力（1.8 g），μ-g（<0.01 g）和1 g。在对零件微观结构的第一次调查中，未发现与在1g条件下制造的零件有显着偏差。因此，目前的工作已经提出了关于LBM工艺在太空中添加制造的即用型金属零件的可行性的第一个结果。“
a）沉积室的顶视图，显示激光扫描仪和光学系统，两个氧气传感器，两个压力表和两个超压安全阀
b）在抛物线飞行后清洁过程中沉积单元的视图，显示LBM产生的扳手仍然部分地嵌入粉末床中
c）在从基板分离后，在μ重力下制造的μ重力d）12mm扳手中制造的多孔金属基板和扳手的俯视图。底板的尺寸为106.5×85.5 mm2。

金属3D打印除了空间之外还包含许多不同的技术，并且用于各种不同的工业目的 - 以及许多不同类型的粉末和材料，这些粉末和材料在地球上一直在不断地进行实验，从陶瓷到纳米复合材料到铜。

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