為將金屬3D打印機送入太空，伯明翰大學做了哪些努力？
將3D打印機送入太空早已出現(xiàn)在人類太空探索的日程表中，美國航空航天局（NASA）和歐洲航天局(ESA)先后將塑料3D打印機送入國際空間站，讓這些3D打印機在失重的環(huán)境中進行工作，為空間站快速制造小型塑料零部件。在NASA的組織下，由工業(yè)級3D打印機制造商nScrypt和生物墨水供應商Bioficial Org等機構共同研發(fā)的太空生物3D打印機，也已經通過了失重狀態(tài)下的人體組織3D打印的測試，為下一步進入太空做了準備。
3D打印機的太空之旅并不僅限于塑料和生物3D打印機，將金屬3D打印機送到國際空間站中也已經提上日程。英國伯明翰大學先進材料和工藝實驗室（AMP Lab）的科學家團隊已經研發(fā)出微重力金屬3D打印機，在條件成熟的情況下這臺金屬3D打印機也將被到國際空間站中。伯明翰大學的研究團隊在研發(fā)這臺特殊的金屬3D打印機過程中有哪些需要解決的問題？這臺3D打印機又有什么特別之處？本期，就與網友共同來了解一下這些問題。
艱巨的任務已邁出第一步
克服失重，解決后處理和功率問題
我們可以想象一下，在失重的情況下任何人和物都會漂浮起來，金屬3D打印常用的粉末材料也不會例外，他們不會靜靜的保持在粉末箱中的固定位置等待激光器將它們進行熔化，而是會漂浮起來。因此確保在沒有重力的情況下將金屬打印材料進行熔化并沉積在指定位置是在太空中完成金屬3D打印所需要解決的問題。
圖片來源：Amanda Field
那么伯明翰大學的研發(fā)團隊是如何解決這個問題的呢？伯明翰大學研發(fā)的微重力金屬3D打印機可以進行鋁金屬的3D打印，而打印材料并不是鋁金屬粉末，而是鋁金屬絲材，金屬絲材的3D打印技術為直接能量沉積（DED）3D打印技術。在打印中鋁金屬絲材被送入3D打印機，加熱至其熔點，并擠壓成指定形狀。隨著鋁冷卻，其表面張力會使打印材料逐層融合在一起，在這個過程中不需要依靠重力。
3D打印完成之后需要有后處理環(huán)節(jié)，在國際空間站中進行金屬3D打印也不例外。因此，如何在空間站中進行金屬3D打印零部件的后處理也是伯明翰大學需要解決的問題。伯明翰大學使用的金屬3D打印技術與Norsk Titanium的快速等離子沉積技術類似，無需模具直接實現(xiàn)金屬零部件的自由近凈成形。不過在完成零部件的3D打印之后還需要通過機加工來達到最終的精度。出于這個原因，伯明翰大學研究團隊的負責人Carter教授認為若要在國際空間站上完成金屬零部件的快速制造，除了這臺金屬3D打印機還需要有一臺CNC機床，以完成零部件的精加工。去除打印中產生的支撐結構也是后處理環(huán)節(jié)需要考慮到的問題，對此Carter教授認為應將支撐結構添加在零件內部易于去除支撐的薄弱點中。
研究團隊還有一個需要考慮到的問題是金屬3D打印機在國際空間站中的供電需求，研究團隊需要確保金屬3D打印機的功率小于1500瓦，現(xiàn)階段研發(fā)出的微重力金屬3D打印機已實現(xiàn)這個目標，該設備的功率為1300瓦，比一些廚用電熱水壺的功率還要小。
失重測試結果如何？
伯明翰大學的微重力金屬3D打印機從項目發(fā)起到打印機誕生經歷了大約三年時間。伯明翰大學的研究團隊與歐洲宇航局的工程師共同對這臺金屬3D打印機進行了在微重力環(huán)境下測試，測試過程是在三架空客微重力測試的飛機上進行的，每架飛機都進行了31次微重力拋物線飛行，每次持續(xù)時間為22秒，總測試時長超過半個小時。
圖片來源：Novespace
22秒鐘的測試時間聽起來很短暫，但對于Cater的研發(fā)團隊來說已經獲取了豐富的實驗數(shù)據(jù)，并成功驗證了他們在微重力環(huán)境下利用金屬材料熔化的表面張力來實現(xiàn)金屬沉積的構想是行之有效的。在失重測試時，研究團隊還試驗了沉積非常薄的金屬材料，該試驗取得了積極的效果。
對微重力金屬3D打印機的初期測試取得了良好效果，研究團隊的下一個目標是解決如何在國際空間站的失重環(huán)境下讓打印環(huán)境保持恒溫的問題，在國際空間站的環(huán)境中鋁金屬熔化時產生的熱量會讓周圍溫度升至500-600度，研究團隊需要測試多種冷卻方法來實現(xiàn)恒溫。
在太空失重環(huán)境下進行金屬3D打印的第一步已經完成了，伯明翰大學研發(fā)的這臺金屬3D打印機何時可以送入國際空間站中開啟真正的金屬3D打印太空之旅？ 研發(fā)負責人Carter教授表示這是一項艱巨的任務，完美的情況下在2020年有望實現(xiàn)這個目標。
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