供稿人:池金春，李滌塵 發(fā)布日期：2018-10-13
隨著人類越來越深入地開發(fā)太空，3D打印為人類在太空中定制所需要的工具提供了便捷的途徑。人類夢想只需要配備原材料和打印機(jī)，就可以在太空零重力環(huán)境下根據(jù)即時(shí)的需要定制工具，避免了從地面發(fā)送成形工具到太空的昂貴費(fèi)用和耗時(shí)。
2013年美國宇航局NASA通過飛機(jī)拋物線飛行實(shí)驗(yàn)首次在零重力環(huán)境下測試了塑料零件熔絲成形的3D打印技術(shù)（簡稱FDM），并與2014年將FDM設(shè)備送到國際空間站投入使用。受到技術(shù)限制，目前為止在空間站只有塑料材料的3D打印，還沒有金屬材料的3D打印機(jī)。2018年3月，德國聯(lián)邦材料研究所（BAM）首次通過飛機(jī)拋物線飛行實(shí)驗(yàn)成功模擬了在零重力環(huán)境3D打印金屬工具，打印原材料為不銹鋼粉末。
圖1 參加零重力的BAM研究團(tuán)隊(duì)（左）和拋物線飛行（右）
當(dāng)前金屬3D打印的原材料是金屬粉末，因?yàn)榉勰┎荒茉跊]有重力的環(huán)境下固定在打印平臺(tái)（既粉末床）上，所以零重力打印的主要難點(diǎn)在于粉末床的穩(wěn)定性和安全性。BAM研究小組開發(fā)的方法利用了專用泵驅(qū)動(dòng)保護(hù)氣氛的內(nèi)部循環(huán)把粉末吸附在粉末床上，以此來提高粉末床的穩(wěn)定性和安全性。該實(shí)驗(yàn)的成功為在太空中3D打印金屬零件進(jìn)一步提供了技術(shù)驗(yàn)證。
圖2 零重力金屬3D打印設(shè)備（左）和首次打印成形金屬工具（右）
圖3 粉末床底部過濾系統(tǒng)
圖4粉末床穩(wěn)定性對(duì)成形件的影響
在這次實(shí)驗(yàn)中，BAM研究團(tuán)隊(duì)使用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣氛，在粉末床底部連接真空泵形成負(fù)壓，驅(qū)動(dòng)粉末床內(nèi)部形成從上往下的氣流來固定粉末床，并在底部設(shè)計(jì)過濾系統(tǒng)避免粉末被氣流帶走，如圖3所示。研究發(fā)現(xiàn)，粉末床內(nèi)部氣流不僅有固定粉末床的作用，也有利于避免打印過程中因成形件的滑動(dòng)而導(dǎo)致的零件變形，如圖4所示，沒有氣流固定的打印件，因?yàn)槭艿戒伔圻^程中拖拽力的作用容易變形（左圖），而有氣流固定的粉末床可以避免零件被拖拽變形（右圖）。