為將金屬3D印表機送入太空，伯明翰大學做了哪些努力？

將3D印表機送入太空早已出現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)先後將塑料3D印表機送入國際空間站，讓這些3D印表機在失重的環境中進行工作，為空間站快速製造小型塑料零部件。在NASA的組織下，由工業級3D印表機製造商nScrypt和生物墨水供應商Bioficial Org等機構共同研發的太空生物3D印表機，也已經通過了失重狀態下的人體組織3D列印的測試，為下一步進入太空做了準備。

3D印表機的太空之旅並不僅限於塑料和生物3D印表機，將金屬3D印表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出微重力金屬3D印表機，在條件成熟的情況下這台金屬3D印表機也將被到國際空間站中。伯明翰大學的研究團隊在研發這台特殊的金屬3D印表機過程中有哪些需要解決的問題？這台3D印表機又有什麼特別之處？本期，3D科學谷就與谷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，解決後處理和功率問題

我們可以想像一下，在失重的情況下任何人和物都會漂浮起來，金屬3D列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列印材料進行熔化並沉積在指定位置是在太空中完成金屬3D列印所需要解決的問題。

圖片來源：Amanda Field

那麼伯明翰大學的研發團隊是如何解決這個問題的呢？伯明翰大學研發的微重力金屬3D印表機可以進行鋁金屬的3D列印，而列印材料並不是鋁金屬粉末，而是鋁金屬絲材，金屬絲材的3D列印技術為直接能量沉積（DED）3D列印技術。在列印中鋁金屬絲材被送入3D印表機，加熱至其熔點，並擠壓成指定形狀。隨著鋁冷卻，其表面張力會使列印材料逐層融合在一起，在這個過程中不需要依靠重力。

3D列印完成之後需要有後處理環節，在國際空間站中進行金屬3D列印也不例外。因此，如何在空間站中進行金屬3D列印零部件的後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列印技術與Norsk Titanium的快速等離子沉積技術類似，無需模具直接實現金屬零部件的自由近凈成形。不過在完成零部件的3D列印之後還需要通過機加工來達到最終的精度。出於這個原因，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製造，除了這台金屬3D印表機還需要有一台CNC機床，以完成零部件的精加工。去除列印中產生的支撐結構也是後處理環節需要考慮到的問題，對此Carter教授認為應將支撐結構添加在零件內部易於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印表機在國際空間站中的供電需求，研究團隊需要確保金屬3D印表機的功率小於1500瓦，現階段研發出的微重力金屬3D印表機已實現這個目標，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印表機從項目發起到印表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台金屬3D印表機進行了在微重力環境下測試，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，但對於Cater的研發團隊來說已經獲取了豐富的實驗數據，並成功驗證了他們在微重力環境下利用金屬材料熔化的表面張力來實現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印表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境下讓列印環境保持恆溫的問題，在國際空間站的環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恆溫。

在太空失重環境下進行金屬3D列印的第一步已經完成了，伯明翰大學研發的這台金屬3D印表機何時可以送入國際空間站中開啟真正的金屬3D列印太空之旅？ 研發負責人Carter教授表示這是一項艱巨的任務，完美的情況下在2020年有望實現這個目標。

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