奥本大学完成模拟零重力条件下纳米颗粒3D打印机测试

2025年7月7日，南极熊获悉，美国奥本大学电气与计算机工程系最近在NASA赞助的模拟零重力抛物线飞行中成功测试了一台紧凑型纳米颗粒3D打印机。这套设备展现出在轨道上直接制造柔性电子设备（例如传感器、电路和天线）的巨大潜力。

这套系统由戈德博尔德电气与计算机工程副教授 MasoudMahjouri-Samani 与研究生 Aarsh Patel 以及奥本大学研究与创新园区的研究工程师 Colton Bevel 合作开发。项目名为“太空干式打印电子和半导体设备”，今年早些时候获得了 87 万美元的资助，用于支持其开发和测试。

微重力飞行试验取得显著成果

此次飞行测试于今年5月在堪萨斯州萨利纳上空进行，测试搭载的是一架改装的波音727飞机，名为“Vomit Comet”。飞机完成了大约30个抛物线弧，每个抛物线弧提供23至25秒的微重力环境，在此期间，团队评估了LASED系统（激光烧蚀和烧结沉积）。

马朱里-萨马尼说道：“这是一次一次性的胜利。从第一个抛物线开始，这台机器就打印得非常漂亮。首飞就取得如此高的成功率极其罕见。”他强调，能够直接在太空中制造电子设备对于深空任务、低地球轨道运行或延长国际空间站停留时间至关重要，因为它可以减少对地面补给的依赖。

马朱里-萨马尼说：“在太空中，你想在需要的时候打印你需要的东西。这些可能是天线、温度或湿度传感器、机组人员健康监测器——甚至是化学传感器。我们可以在现场设计和制造自己的电路。”

△MasoudMahjouri-Samani 和研究人员在零重力环境下测试紧凑型纳米颗粒 3D 打印机。图片来自奥本大学

用于太空的紧凑型全自动系统

LASED 打印机每边仅 24 英寸，功耗低于 500 瓦，非常适合部署在国际空间站或未来的月球任务中。尽管占地面积小，但它配备了全自动系统，包括纳米颗粒生成、材料输送和烧结。

这款打印机的设计注重韧性，能够承受高达 18G 的重力，远超飞行时承受的 2G。Mahjouri-Samani 解释道：“我们做了大量的模拟和计算，以确保它能够承受起飞、降落以及剧烈的重力变化。”

与其他通常需要多次飞行才能打印出可用打印件的实验系统不同，LASED 能够立即提供一致的结果。真正的问题是：它能在零重力环境下打印吗？答案是肯定的。这台打印机高度自动化。你只需按下‘打印’键，然后放手。它稳定、一致且精确。

△研究人员在零重力环境下测试紧凑型纳米颗粒3D打印机。图片来自奥本大学

下一步：迈向在轨制造

研究团队已向NASA提交了一份技术报告，目前正在进行全面的比较研究。即将发布的报告将分析各种打印特性，例如粗糙度、厚度和电阻率，并将微重力环境下生产的部件与地球上生产的部件进行比较。

研究团队还计划进行第二次抛物线飞行，以探索半导体打印技术并模拟更先进的太空条件。“如果这台打印机在零重力环境下运行如此良好，或许我们应该考虑将其送上太空，”他说。“这对我们的打印机来说是一小步，但对太空制造来说却是一大步。”

推进太空制造

最近，格拉斯哥大学詹姆斯·瓦特工程学院的研究人员开发了一套专为微重力环境设计的3D打印系统，旨在克服太空结构制造的挑战。项目由吉尔斯·贝莱特博士领导，已获得多方资助，并已在欧洲航天局的抛物线飞行任务中进行了测试，证明了使用颗粒状原料而非传统丝材的可靠材料流动。未来计划包括争取更多资金并进行太空演示，重点是减少对地球补给的依赖并解决对太空垃圾的担忧。

今年3月，作为欧洲航天局（ESA）“Metal3D”项目的一部分，首个在太空中制造的金属3D打印部件返回地球进行测试。该部件样品由ESA的金属3D打印机在国际空间站（ISS）上制造，现已送至ESA位于荷兰的欧洲空间研究与技术中心（ESTEC），并将在那里进行测试。