《Nature》子刊发表研究成果，太空微重力环境下金属打印实验取得重大突破

来源：先进增材工艺

金属增材制造，尤其是基于激光的粉末床熔合技术，在航空航天领域中大大节省材料和时间，提高了质量。尽管已有空间站和对月球的探索，但这些里程碑任务尚未配备在太空中制造金属部件的技术，因此开发和使用太空制造（ISM）和就地资源利用（ISRU）技术至关重要。

2023年10月6日，德国航空和航天中心（DLR）材料物理研究所与德国联邦材料研究和测试机构（BAM）联合在《NPJ Microgravity》期刊发表最新研究成果“Additive manufacturing of metallic glass from powder in space”，研究人员在这里提出了一种在微重力下使用金属粉末建造零件的设备。这已在几次探测火箭飞行中得到验证，在这些飞行中，通过太空中的增材制造技术制造的基于锆的金属玻璃部件被成功构建。研究结果充分证明了在微重力条件下进行增材制造的可行性，并强调了进一步研究和优化的潜力。这显著推进了ISRU和ISM，并为未来在长时间微重力环境中的测试铺平了道路。德国航空和航天中心（DLR）材料物理研究所Christian Neumann.为通讯作者。


增材制造（AM）为太空飞行带来了革命性的潜力，其中，基于激光的粉床熔化（PBF-LB）技术因其在各种材料上的适用性而受到关注。与此同时，金属玻璃因其优越的耐腐蚀性和机械性能而备受瞩目，但其在铸造中的尺寸限制一直是一个问题。为了探索在微重力环境下结合PBF-LB和金属玻璃的潜力，研究人员选择了发声火箭作为实验环境，这被视为未来在轨AM设备发展的关键步骤。

研究人员通过独立于重力环境的粉末工艺中用块状金属玻璃制造零件实验，由此设计和建造了称为MARS-M的设备(Multimaterial Additive manufacturing for Research and Space-flight for MAPHEUS)，总长 700 毫米，直径438 毫米，净重 44 公斤，火箭有效载荷的外部结构为12 公斤。它包含一个紧密轻便的全自动策卡尔AMI 设备，包括控制计算、数据采集和处理、粉末稳定和电力供应，使用PBF‑LB（即使用粉末原料）在微重力下增材制造金属玻璃零件。

图1. MARS-M火箭有效载荷模块。MARS-M(左)，其中的一部分MAPHEUS-10火箭有效载荷(右)。

图2.装有构建平台（此处没有粉末）和粉末容器的墨盒

图3.硬件和通讯系统图

图4.具有不同参数的 AMZ4 示例。参数的差异导致了表面光滑度和光泽的光学差异。在激光功率最低的地方，表面的光滑度也是最低的。而在最高的地方，区分构建段落的各个线条变得更加困难。总体尺寸约为26 mm × 28 mm。（AMZ4 现称为AMLOY-Zr01，工业级，Heraeus AMLOY）

图5.分段“A +  B”扫描策略的示意图。激光沿着垂直于图形的方向移动，每一层与前一层相对错开半个孔距。

图6. 由八层 AMZ4 粉末制成的部件

MARS-M设备特点

1.机械装置
MARS-M 快速成型制造系统中使用的机械设备包括用于激光扫描和粉末层应用的 X 轴和 Y 轴、用于构建平台位移的垂直 Z 轴以及用于粉末层应用的附加 E 轴。X 轴和 Y 轴使用自润滑聚合物轴承，而 E 轴使用干运转轴承。每个轴都由步进驱动器驱动，并由光学末端停止开关限制。

2.激光系统
MARS-M装置中使用的激光系统设计用于承受飞行过程中所受的力，并独立于空气对流运行。它由作为光源的光纤耦合二极管激光器、连接到光纤端的激光光学器件、二极管驱动电子器件和冷却系统组成。激光二极管模块在976nm的波长下提供283W的最大光功率。激光系统设计紧凑、重量轻，确保其适用于太空应用。

3.压力室
MARS-M设备中的压力室旨在为增材制造实验创造一个可控的环境。它是密封的，以此在加工过程中保持恒定的压力和氧气浓度。该舱室可承受疏散和太空飞行期间的压差，包括一个用于固定构建平台和粉末容器的药筒，便于在飞行配置过程中进行更换。

4.构建平台
MARS-M 快速成型制造系统使用的制造平台是一个 45 毫米 x 45 毫米的平台，由 5 毫米厚的多孔不锈钢烧结体制成。它的孔径为 8 微米，设计用于承受飞行过程中产生的力。

5.远程控制
该设备控制器板具有控制步进驱动器、激光功率和电源开关的接口，以读取和写入数字输入以及读取和读取数据、控制温度。该板通过板载驱动器控制 X、Y、Z  和  E  轴的步进驱动器以及相应的终点挡块和位置开关。

关键结论
1.MARS-M设备是一种在太空中进行增材制造实验的先进设备。它具有自动化控制、紧凑轻便的机械结构和稳定的激光系统，可以在微重力环境中进行部件建造。

2.该设备的机械结构采用了耐磨性好的聚合物轴承和碳纤维增强聚合物材料，以减轻重量，并且具有足够的强度来承受不同飞行阶段的静态和动态负载。

3.激光系统采用光纤耦合二极管激光器，具有高功率和稳定的输出。为了在太空中进行连续工作，采用了一种特殊的冷却系统，以确保激光器的稳定性。

4.压力室和气体流动系统确保了建造过程在恒定的气压和氧气浓度下进行。通过闭环气体流动系统，粉末颗粒可以被推向建造平台，实现部件的建造。


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Neumann, C., Thore, J., Clozel, M.et al. Additive manufacturing of metallic glass from powder in space. npj Microgravity 9, 80 (2023). https://doi.org/10.1038/s41526-023-00327-7