2020年5月5日18時0分，長征五號B搭載新一代載人飛船試驗船和柔性充氣式貨物返回艙試驗艙，從文昌航天發(fā)射場點(diǎn)火升空。約488秒后，載荷組合體與火箭成功分離進(jìn)入預(yù)定軌道，我國空間站階段的首次飛行任務(wù)告捷。
這是中國最強(qiáng)火箭“胖五”！這是新一代載人飛船試驗船！
在本次任務(wù)中，由中國科學(xué)院牽頭負(fù)責(zé)的空間應(yīng)用系統(tǒng)在新飛船試驗船安排了在軌精細(xì)成型實驗、材料摩擦行為實驗、微重力測量試驗等三項科學(xué)實（試）驗，將為未來我國空間站建設(shè)運(yùn)營以及走向更遙遠(yuǎn)的深空，進(jìn)行前瞻科學(xué)研究和技術(shù)驗證。
△中科院空間應(yīng)用中心研究團(tuán)隊的立體光刻3D打印技術(shù)對金屬/陶瓷復(fù)合材料進(jìn)行微米級精度的在軌制造設(shè)備
中科院空間應(yīng)用中心的太空3D打印研究
這次長征五號B火箭成功把我國新一代載人飛船試驗船送入了預(yù)定軌道，可以為我國太空3D打印提供了很好的研究機(jī)會。
為進(jìn)一步提升制造精度、擴(kuò)大可用于太空制造的材料譜系，由中科院空間應(yīng)用中心研究團(tuán)隊研制的“在軌精細(xì)成型實驗裝置”將創(chuàng)新采用立體光刻3D打印技術(shù)對金屬/陶瓷復(fù)合材料進(jìn)行微米級精度的在軌制造。
太空失重環(huán)境是立體光刻技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)之一，普通的打印漿料在失重條件下無法保持穩(wěn)定形態(tài)，會發(fā)生爬壁導(dǎo)致液面起伏影響打印；通過國內(nèi)外失重飛機(jī)，先后進(jìn)行了數(shù)百次微重力環(huán)境下的實驗，對漿料在失重條件下的流變行為及內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行了分析，利用化學(xué)及物理方法對漿料進(jìn)行優(yōu)化使其從液態(tài)變?yōu)檐浳镔|(zhì)形態(tài)，軟物質(zhì)特有的屈服應(yīng)力在失重條件下抵抗形變，抑制爬壁，且在較高剪切力作用下其又可以恢復(fù)良好的流動性，保證了3D打印順利進(jìn)行。
△2018年中科院太空制造技術(shù)重點(diǎn)實驗室在微重力下試驗3D打印
據(jù)了解，中國科學(xué)院太空制造技術(shù)重點(diǎn)實驗室（CAS Key Laboratory of Space Manufacturing Technology, SMT）成立于2017年底，依托中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心，是一個以“太空制造技術(shù)”為研究專題的科研實體。
早在2018年6月13日，中科院太空制造技術(shù)重點(diǎn)實驗室（依托單位為空間應(yīng)用中心）科研人員在瑞士杜本多夫利用歐洲失重飛機(jī)圓滿完成了國際首次微重力環(huán)境下陶瓷材料立體光刻成形技術(shù)試驗和基于陶瓷模具的金屬材料微重力環(huán)境下鑄造技術(shù)試驗，獲得多個完好的制造樣品及豐富的實驗數(shù)據(jù)。
△微重力下光固化3D打印陶瓷樣件
△微重力下3D打印金屬樣件
太空3D打印的作用和優(yōu)勢
一般來說，當(dāng)國際空間站內(nèi)缺少某種工具或部件時，宇航員們就得花上數(shù)周甚至數(shù)月等待地面送來物資補(bǔ)給。有了太空3D打印機(jī)，技術(shù)人員在地球上設(shè)定出物品的制造程序（也就是設(shè)計模型文件），然后用電子郵件發(fā)送至國際空間站，整個過程耗時不到一周；而實際打印時間只有約4小時。南極熊3D打印網(wǎng)了解到，無論是美國，還是歐洲，還是俄羅斯，都在太空3D打印領(lǐng)域投入了熱情的研究。
除了時間成本，太空3D打印所節(jié)約的運(yùn)輸成本同樣可觀。空間站、基地或復(fù)雜航天器的系統(tǒng)由許多部分組成。盡管在建造時就力求可靠，但仍然面臨著零件損壞、系統(tǒng)升級等問題。如果攜帶大量預(yù)制零件進(jìn)入太空，就會大大增加高昂的發(fā)射費(fèi)用。如采用太空3D打印技術(shù)，只需將原材料和輕型打印機(jī)帶入太空，從而就地制造所需零部件，最大限度減少發(fā)射重量并提高工作效率。未來，當(dāng)人類能夠從其他星球表面開采原材料時，還能在太空建立“零件工廠”，進(jìn)一步減輕航天器的發(fā)射重量，節(jié)約空間。
△配圖：美國NASA國際空間站上的太空3D打印機(jī)，使用到的技術(shù)是FDM熔融擠出，通過噴頭加熱，高分子聚合物線材熔化成液態(tài)，然后靠機(jī)械力從噴頭擠出來，層層堆疊成型。圖片來源NASA
2014年，NASA研制的世界上首臺太空3D打印機(jī)抵達(dá)國際空間站，揭開了人類“太空制造”的序幕。
3D打印技術(shù)在太空的操作環(huán)境與地球大不相同，技術(shù)難度也不一。在地球上，依靠重力，3D打印機(jī)擠出的加熱塑料、金屬或其他材料能自然地沉積，一層一層打印出三維物體。而在太空零重力條件下，需要使用以給定速率旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)來確保材料沉積到位，或者修改3D打印的過程來使設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行。不過，原本基于地球的3D打印技術(shù)更容易適應(yīng)有著微重力環(huán)境的月球和火星。
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