Nature子刊:固态增材制造将太空垃圾转化为功能部件,实现可持续的太空制造

3D打印动态
2025
08/06
17:18
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2025年8月6日,南极熊获悉,来自贝勒大学和CisLunar Industries的研究人员开发了一种垂直集成方法,利用固态增材制造技术将铸铝太空垃圾转化为完全致密、结构完好的部件。他们的组合系统——电磁连续铸造,然后进行双棒增材搅拌摩擦沉积(TR-AFSD)——可以细化晶粒结构、修复缺陷,并生产出适用于轨道或月球应用的预加工部件。

研究结果以题为“Sustainable in-space manufacturingby upcycling metal space debris via a vertically integrated processing paradigm”的论文发表在《npj advanced manufacturing》上。

屏幕截图 2025-08-06 171124.jpg


CisLunar Industries 是一家专注于太空冶金基础设施的公司,利用模块化太空铸造厂 (Modular Space Foundry)提供原料。铸造系统采用电磁定位和感应加热技术,无需物理接触即可收集和熔化废金属,从而能够在低重力环境下进行铸造。这家铸造厂最初在抛物线飞行条件下进行测试,生产出直径为 12.7 毫米的 AA6061 铝棒,用作 TR-AFSD 的原料。

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采用垂直集成工艺方法,利用回收太空垃圾的固态增材制造技术加工大型部件

TR-AFSD 装置将两根偏置圆棒送入旋转刀头,产生摩擦热,使材料软化并以逐层挤压的方式挤出,而不会熔化。与传统的中心进料方法不同,AFSD配置支持更高的沉积速率,同时保持零件的几何形状。在研究中,研究人员在 AA6061-T6 基板上打印了一个由两层宽 27 毫米、长 50 毫米、厚 1 毫米的层组成的双层结构,形成了一个可加工的中间零件。

计算机断层扫描显示,孔隙率从铸造原料中的0.63%降低到可用加工体积中的0.016%。铸造材料中含有最大16.5立方毫米的孔隙,而TR-AFSD镀层仅包含12个小孔隙(小于0.07立方毫米),且均局限于最终加工过程中去除的边缘区域。由于高进给率下材料过量流动而形成的飞边也局限于周边区域,可以回收利用。

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本研究分析的铸造原料和 TR-AFSD 沉积物的代表性样本

铸件材料的X射线荧光分析显示,裂纹区域合金元素偏析明显,Fe、Si和Cu的含量分别比邻近区域高出2.70%、1.26%和0.34%。能量色散光谱法证实,这些变化促进了β-Al₅FeSi金属间化合物的形成。光学和SEM成像显示,富氧氧化物颗粒和针状Fe-Si金属间化合物广泛弥散分布于整个铸件组织中。

TR-AFSD 处理可破坏这些夹杂物。显微镜检查显示,平均粒径从铸造状态下的 34.7 μm² 减小至沉积后的 3.1 μm²,减少了 91%。这归因于旋转刀头引起的剪切诱导破碎和分散。电子背散射衍射揭示了额外的转变:晶粒尺寸从 112.9 μm 减小至 3.7 μm,小角度晶界密度增加。这些特征表明发生了动态再结晶,并通过霍尔-佩奇效应暗示了更高的屈服强度。

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△铸造原料和TR-AFSD构建的3D CT重建

回收像AA6061这样的铝合金对于太空原位资源利用(ISRU)至关重要,尤其是在处理轨道碎片时。欧洲航天局报告称,轨道上有超过35,000个大于10厘米的物体——这些危险物体可以转化为结构部件。TR-AFSD无需熔融处理或额外合金化,提供了一种以最小能量投入实现闭环回收的途径。

这项研究延续了早期使用 AFSD 制造铝-月球风化层金属基复合材料的研究成果。先前的研究表明,风化层负载会增加硬度,但颗粒分散性不稳定。本研究通过在沉积前通过电磁铸造固结废料解决了这一问题,从而获得了均匀的结构和最小的孔隙率。与圆形原料的兼容性也降低了铸造后加工的要求。

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△铸造原料和 TR-AFSD 构建的 EBSD 结果

制造的功能部件示例包括一把10毫米扳手、符合ISO标准的手术刀柄和一把手术探针。所有部件均采用TR-AFSD打印的AA6061材料与10wt%的月壤模拟物混合加工而成。这些结果证实了AFSD系统适用于制造长期太空任务中必不可少的工具和硬件。

其中一个限制是需要在沉积前对铸棒进行加工。研究人员的目标是通过将铸造和沉积直接集成到一个连续系统中来简化这一过程。额外的工作将涉及拉伸和疲劳测试,以表征微观结构以外的机械性能。

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△拟议的ISM范式利用原位空间资源的潜在应用

为了了解AFSD系统在太空中的行为,未来的研究将探究真空、辐射和微重力如何影响沉积过程中的热梯度和缺陷演变。光滑粒子流体动力学等计算工具将用于模拟非地面条件下的工艺-结构-性能-性能 (PSPP) 关系。剪切辅助加工与挤压 (ShAPE) 等技术也可作为完全绕过铸造的替代原料制备方法进行评估。

TR-AFSD 技术结合固态晶粒细化、氧化物碎裂和孔隙消除技术,能够利用非原生铝废料进行按需制造。这不仅降低了能源成本,减少了材料浪费,还符合在严苛环境下实现循环制造的长期目标。应用范围涵盖从轨道基础设施修复到行星表面压力容器、工具和设备的制造。


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