2024年5月30日，隨著一臺(tái)3D鋼鐵打印機(jī)在國(guó)際空間站上打印出首個(gè)鋼鐵組件，鋼鐵進(jìn)入了太空時(shí)代。
2024年5月底，在國(guó)際空間站里，歐洲航天局（以下簡(jiǎn)稱“歐空局”）哥倫布實(shí)驗(yàn)艙的3D金屬打印機(jī)徹底改變了在軌制造方式。作為世界首創(chuàng)，這臺(tái)打印機(jī)使用液態(tài)不銹鋼打印了一小條S型曲線，證明了3D鋼鐵增材制造（一種每次建造一層物體的工藝）可以在太空中實(shí)現(xiàn)。
“這條S型曲線是測(cè)試線條，標(biāo)志著我們3D金屬打印機(jī)的調(diào)試工作成功結(jié)束。”歐空局技術(shù)官Rob Postema解釋說。“隨著首次打印的成功以及其他參考線條的推出，我們不久將會(huì)打印出完整的零件。”
基于聚合物的3D打印機(jī)已經(jīng)在國(guó)際空間站上打印塑料物體有一段時(shí)間了，但金屬打印難度更大，因?yàn)榻饘俅蛴⌒枰叩臏囟群图す馄鱽砣刍饘佟Ｊ褂?D鋼鐵打印機(jī)時(shí)，首先將一根不銹鋼絲送入打印區(qū)域，然后由高功率激光器加熱，激光器的功率約為標(biāo)準(zhǔn)激光筆的100萬倍。隨著不銹鋼絲的融化，不銹鋼被印成所需的形狀。
圖為歐空局宇航員Andreas Mogensen在國(guó)際空間站內(nèi)安裝3D鋼鐵打印機(jī)。
安全第一
“激光器及其產(chǎn)生的熱量帶來惡劣的打印環(huán)境，最初如何保護(hù)國(guó)際空間站是個(gè)問題。”空客公司3D金屬打印機(jī)系統(tǒng)工程師Sébastien Girault說。“打印機(jī)裝在一個(gè)密封的金屬盒子里，這個(gè)盒子起到保險(xiǎn)箱的作用。該工藝兼容的金屬合金的熔點(diǎn)可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過1200攝氏度，而塑料的熔點(diǎn)只有200攝氏度左右，這意味著需要嚴(yán)格的熱量控制。”
“重力管理也很關(guān)鍵，這就是我們選擇基于線材的打印技術(shù)的原因。線材不受重力影響，不像基于粉末的系統(tǒng)，粉末打印設(shè)備總是要落到地上。”
克服了這個(gè)障礙后，金屬具有的高強(qiáng)度、高硬度和導(dǎo)電性為在太空進(jìn)行3D打印帶來巨大的機(jī)會(huì)。
太空打印，地球操作
3D金屬打印機(jī)只有微波爐大小，這臺(tái)打印機(jī)的操作員位于法國(guó)的CADMOS用戶支持中心。國(guó)際空間站航天員所要做的只是打開氮?dú)夂团艢忾y，以便開始打印。
為測(cè)試不銹鋼打印機(jī)在太空中的各種可能性，首先要打印一些預(yù)定的形狀，然后將這些形狀返回到地球，以便與在正常重力條件下在地面上打印的相同形狀進(jìn)行質(zhì)量和性能比較。科學(xué)家們將比較太空和地面上的測(cè)試數(shù)據(jù)，以了解微重力是對(duì)打印過程和金屬的影響。
“其中兩個(gè)打印部件將被送往位于荷蘭的歐洲太空研究和技術(shù)中心（ESTEC）的材料和電氣組件實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，以幫助我們了解長(zhǎng)期微重力是否會(huì)對(duì)金屬材料的打印產(chǎn)生影響。另外兩個(gè)打印部件將被送往歐洲宇航員中心和丹麥技術(shù)大學(xué)（DTU）。”歐空局技術(shù)、工程和質(zhì)量局材料工程師Advenit Makaya透露。
打造太空循環(huán)經(jīng)濟(jì)
歐空局計(jì)劃使用3D不銹鋼打印機(jī)來幫助打造太空中的循環(huán)經(jīng)濟(jì)。為了延長(zhǎng)太空設(shè)備的使用壽命并優(yōu)化資源，歐空局希望一旦3D不銹鋼打印機(jī)完全投入使用，就可以用來打印軌道上所需的零件和工具，從而避免從地球上用火箭運(yùn)送這些零件和工具。
“太空3D金屬打印具有一種很有前途的能力，不僅可以支持未來的探索活動(dòng)，也可以通過現(xiàn)場(chǎng)制造、維修、太空結(jié)構(gòu)物回收等廣泛的應(yīng)用，進(jìn)一步推動(dòng)提高太空活動(dòng)的可持續(xù)性。包括在軌大型基礎(chǔ)設(shè)施的制造和組裝，以及人類長(zhǎng)期定居行星計(jì)劃，這些方面是歐空局即將開展的技術(shù)交叉項(xiàng)目的關(guān)鍵重點(diǎn)。”歐空局機(jī)械部負(fù)責(zé)人Tommaso Ghidini說。
真心希望鋼鐵行業(yè)的先驅(qū)們也能看到如今鋼鐵在實(shí)質(zhì)意義和象征意義上取得的進(jìn)步！
