威斯康辛大学工程师在零重力下 3D 打印电子元件，攻克太空制造新挑战

导读：在未来宇航员进行长途太空飞行的情况下，他们将无法像今天那样要求地面运送替换硬件组件。在人类深入太空探索之前，工程师需要解决宇航员装备不可避免的磨损带来的挑战。

2024年5月21日，南极熊获悉，来自威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员在太空制造方面取得了新的突破，他们首次在“零重力”下成功 3D 打印RAM 设备单元，向替代电子元件的太空制造迈出了一步。该团队于 2024 年 3 月在劳德代尔堡-好莱坞国际机场的抛物线试飞中进行了实验。

△威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员首次在零重力下成功 3D 打印 RAM 设备单元，向替代电子元件的太空制造迈出了一步。照片中从左到右，Khawlah Ahmad Alharbi、Xuepeng Jiang、Renjie Nie、Hantang Qing、Rayne Wolf、Pengyu Zhu 和 Jacob Kocemba 在 G-Force One 旁边摆姿势，他们在这架飞机上测试了零重力 3D 打印技术。照片：威斯康星大学麦迪逊分校

美国宇航局（NASA）资助了这项由威斯康星大学工业与系统工程助理教授Hantangqin领导的研究，该研究旨在开发半导体、执行器和传感器等电子元件的太空制造能力。这将为在太空进行维修提供一种可行的选择，而无需运输替换零件。

该小组在前两次抛物线试飞中遇到了技术故障——大约 40 分钟的短途飞行，包括上升和潜水，模拟短暂的零重力。研究人员在第三次也是最后一次飞行前花了一周的时间，每天 12 到 15 个小时来排除故障的潜在原因。

来自威斯康星州波托西的博士生、该团队的负责人之一雷恩·沃尔夫 (Rayne Wolf)表示这些实验很大程度上依赖于这些实验。

传统的 3D 打印依赖于重力，即从打印机喷嘴中挤出材料，这在所谓的零重力环境中提出了重大挑战。由助理教授 Hantangqin 领导的威斯康辛大学麦迪逊分校团队开发了一种替代方案：电流体动力(EHD) 打印。EHD 打印利用电力推动液体材料通过直径仅30 微米的喷嘴（约为单根羊毛纤维的平均宽度），有效克服表面张力，否则会阻止材料流动。

△电流体动力喷射打印实验装置。

Hantangqin教授说：“在这种小规模下，表面张力会阻止液体从喷嘴流出，他的团队正在与爱荷华州立大学、亚利桑那州立大学、英特尔和其他行业合作伙伴的研究人员合作。然后我们施加这种电力来打破这种表面张力。EHD 打印技术的优势超出了其在零重力环境中发挥作用的能力。对于传统 3D 打印，喷嘴尺寸基本上决定了液滴尺寸。但是使用我们的打印系统，我们可以使液滴比喷嘴的尺寸小得多。只要有 2 微米的喷嘴，我们就可以制作纳米级图案。这就是它的巨大优势。”

该团队最终查明了阻碍前两次飞行测试的故障：飞机发动机的振动导致打印机的校准传感器出现问题。他们通过重写一些系统代码来补偿振动来解决这个问题，电气和计算机工程研究生张鹏宇在零重力下编写了代码，解决了这个问题。

在最初的试飞过程中，团队面临着由飞机发动机振动引起的校准问题。他们通过重写系统代码解决了这个问题，从而在最后一次飞行中成功打印。在手动控制下，EHD 打印机使用氧化锌（一种半导体墨水）生产了十多个，并使用聚二甲基硅氧烷（一种绝缘聚合物墨水）生产了更多单位。

在小组的最后一次试飞中，所有的工作都得到了回报。在 Wolf 和 Jacob Kocemba（威斯康辛大学麦迪逊分校 2023 届毕业生，目前在伊利诺伊大学继续学习）的手动控制下，实验室的 EHD 打印机成功生产了十多个单元，并使用聚二甲基硅氧烷（一种绝缘聚合物墨水）生产了更多单元。

临时实验室的飞行后分析证实了打印机在微米和纳米级水平上的成功。该团队计划在 2024 年 8 月和 11 月进行额外的试飞，旨在将其 EHD 技术集成到行业合作伙伴的多功能工具 3D 打印机中。未来的目标包括从打印单个单元发展到完整的半导体设备，并最终在国际空间站上测试其技术。实现这些里程碑将标志着可持续和自主太空制造能力取得重大进展。