欧洲航天局在太空微重力环境下成功 3D 打印出首个金属部件

2024年9月9日，南极熊获悉，由欧洲航天局 (ESA)和空客公司合作研制的首台太空金属 3D 打印机已经在国际空间站上打印出了其首件金属产品，这是未来长期探索任务中机组人员自主性的突破。这台金属 3D 打印机是首台在微重力环境下成功运行的打印机，它借鉴了国际空间站上塑料 3D 打印的早期成果。这一成就标志着太空探索领域的新前沿，展示了太空制造支持长期任务的潜力。

金属 3D 打印机技术演示器是由空中客车防务与航天公司SAS牵头的工业团队开发的，该公司也是该项目的共同资助者，根据与欧空局载人与机器人探索理事会签订的合同。打印机于今年早些时候发射至国际空间站 (ISS)，并由 ESA 宇航员Andreas Mogensen 安装在哥伦布舱的欧洲抽屉架上。在8 月份，这台打印机在微重力环境下生产出首个 3D 金属部件。

△地球上运行的金属 3D 打印机。

空客项目经理帕特里克·克雷申斯评论道：“这次在轨演示是欧空局与空客小型、充满活力的工程师团队密切合作的结果。但这不仅仅是迈向未来的一步，更是太空探索创新的一次飞跃。它为在太空制造更复杂的金属结构铺平了道路。这是确保月球和火星探索的关键资产。”

微重力打印测试

ESA太空打印机选用一种常用于医疗植入物和水下应用环境的不锈钢材料进行打印，因为它具有良好的耐腐蚀性。

不锈钢丝被送入打印区域，该区域由高功率激光加热，功率比普通激光笔高出一百万倍。当丝浸入熔池时，丝的末端会熔化，然后金属就会添加到打印件中。

欧空局技术、工程和质量局的材料工程师 Advenit Makaya 为该项目提供了技术支持：“打印过程中的熔池非常小，只有一毫米大小，因此液态金属的表面张力可以在失重状态下将其牢牢固定住。即便如此，不锈钢的熔点也约为 1400°C，因此打印机在完全密封的盒子内运行，防止过多的热量或烟雾进入空间站的工作人员。在打印过程开始之前，打印机内部的氧气必须排到太空中，用氮气代替——如果热不锈钢暴露在氧气中，就会氧化。”

△金属3D打印机测试打印

研究人员共计选择了四种有趣的形状来测试 Metal 3D 打印机的性能。这些第一批物体将与地面上打印的相同形状（称为参考打印件）进行比较，以了解太空环境如何影响打印过程。这四种打印件的尺寸都小于汽水罐，每件重量不到 250 克，打印时间约为两到四周。由于空间站的噪音规定，预定的打印时间限制为每天四小时——打印机的风扇和电机噪音相对较大。

返回地球进行质量分析

ESA 计划将首批产品连同另外三个打印部件一起送回地球进行彻底的质量测试。其中两个打印部件将被送往 ESA 位于荷兰的技术中心 (ESTEC)，一个将在科隆欧洲宇航员中心 (EAC) 的 LUNA 设施中使用，最终成品将由丹麦技术大学 (DTU) 进行分析。这些测试将为太空 3D 打印的质量提供重要数据。

△第一个金属部件由欧洲航天局国际空间站上的金属 3D 打印机在太空中 3D 打印而成，展示了在微重力条件下成功制造的能力。

增材制造是未来太空任务的关键技术

随着月球和火星任务变得越来越频繁和复杂，航天器的补给将变得越来越具有挑战性。太空增材制造提供了一种解决方案，它允许宇航员根据需要制造必要的零件、维修设备和生产专用工具。这减少了对补给任务的依赖，并提高了太空机组人员的自主性，这对于远离地球的长期任务来说是一个关键优势。

尽管国际空间站已经拥有塑料 3D 打印机，但 ESA 的技术演示器是首次在微重力条件下成功打印金属部件。该打印机由空中客车公司及其合作伙伴制造，英国克兰菲尔德大学参与设计打印机的熔化过程和硬件，以及其激光源、输送光学系统、原料储存和进料系统。打印操作由 CNES 从其国际空间站有效载荷控制中心监督。

ESA 人类和机器人探索总监Daniel Neuenschwander 表示：“随着第一个金属 3D 形状在太空中的打印，ESA 探索团队在建立在轨制造能力方面取得了重要里程碑。这一成就是由一支国际和多学科团队实现的，为长距离和长期任务铺平了道路，在这些任务中，按需制造备件、建筑部件和工具将至关重要。”

欧空局机械部主任 Tommaso Ghidini 指出：“金属 3D 太空打印是一项很有前途的技术，不仅能支持未来的探索活动，还能通过现场制造、修复和回收太空结构为更可持续的太空活动做出贡献，应用范围广泛。这包括在轨大型基础设施的制造和组装以及人类在行星上的长期定居。这些方面是欧空局即将推出的技术交叉计划的重点。”

欧空局材料与工艺部门负责人托马斯·罗尔补充道：“此次技术演示展示了微重力条件下金属材料的加工，为未来在地球以外制造基础设施铺平了道路。”