在8000米高空做3D打印这支青年团队开创了世界第一!
发布时间:2022-06-30 01:54:41 来源:RAYBET官网下载 作者:雷竞技入口官网

  中国科学院太空制造技术重点实验室,这里有一支平均年龄为33岁的青年科研队伍。他们将中国制造瞄向太空,在国际太空制造领域拥有自己的一席之地。

  2020年5月,在载人飞船试验船上,在轨开展了陶瓷软物质材料精密太空制造技术验证

  2020年5月,在由长征5号B运载火箭搭载发射的中国新一代载人飞船试验船上,进行了一项特殊的实验——由立体光刻3D打印机进行陶瓷、金属复合材料的微米级精度在轨制造。

  在试验持续的两三个小时里,中国科学院空间应用工程与技术中心研究员、太空制造技术重点实验室主任王功和同事们无比激动。

  从2014年以来,中国太空制造试验从地面走向太空,这不仅是空间距离上的一大步,更是我国太空制造领域前进中的关键一步。

  什么是太空制造?为什么进行太空制造?在王功看来,后勤补给资源是长期太空探索任务成功的重要保证,目前主要是通过发射运载火箭和货运飞船向空间站进行补给,不仅周期长,而且成本昂贵。

  “如果需要的零部件在太空里就能直接制造,将是人类太空探索技术的一次革命性进展。”王功表示,太空制造技术是一项对未来航天探索任务具有革命性影响的战略性技术,是人类摆脱对地球资源补给依赖,探索更深远宇宙空间所必须掌握的关键技术之一。

  虽然太空制造在空间站在轨应急维修保障、大型空间载荷在轨部署等方面具有很强的现实意义,但与地面环境相比,太空的长时微重力、强辐射、高真空、交变冷热循环等环境也给太空制造技术带来了新的挑战,对于太空制造装备,也需要满足高精度、低功耗、小型化、智能化等苛刻的技术要求。

  2014年,我国成立科研团队开始太空制造研究。2017年底,中国科学院太空制造技术重点实验室正式成立,这是一支平均年龄只有33岁的青年科研队伍。

  2014年9月,美国航空航天局在全球第一次将一台打印机送到国际空间站,这台放在手套箱里、以打印塑料为主的打印机并不大,各项指标都不算先进,但却引发广泛关注。

  2015年,王功开始策划第一次微重力环境下的3D打印试验。由于当时我国还没有建成空间站,借助中科院与德国宇航局的合作关系,团队将试验挪到了欧洲航天局的失重飞机上。失重飞机在地面上模拟太空环境的一个重要试验平台。

  在8000米高空,当飞机关闭发动机,开始一个自由落体的抛物线秒的微重力环境。

  正是利用31次重复循环的22秒微重力环境状态,王功团队不断测试3D打印效果,打印出“中国科学院”五个字。

  29岁的3D打印机系统设计负责人刘亦飞,亲历了第一天的失重飞行。他说,第一次微重力环境3D打印试验,令团队收获颇丰,拿到样品那一刻,每个人都无比开心。

  “试验成功了,其实试验目标并不是要打印多么完美的作品,而是我想验证一下微重力环境对3D打印的影响效果。”王功说。

  通过这次试验,王功发现熔融沉积技术的两个缺陷:产品性能有限并且制造精度距离在轨直接装配使用还存在不小距离。

  为此,在完成首次微重力模拟试验之后,中科院太空制造实验室转向利用立体光刻来进行太空制造的路线。

  “这个原理很简单,利用紫外光去触发光敏树脂的光聚合反应来进行固化,有点像女生涂指甲油,然后在紫外灯下去照射固化。”王功说,这是一种被美国航空航天局研究过并被否定了的工艺。

  “原因在于这种工艺的原材料是液体,而在微重力环境下,液体浆料受表面张力的影响,很容易自由飘散,难以控制其稳定状态,进而无法完成打印过程。”王功表示。

  经过探索、试验,团队选择将陶瓷粉末、树脂溶液和光引发剂等材料进行混合匹配,开发出一种全新的陶瓷膏体材料。这种材料类似牙膏状,在没有外力时,可以保持固有形态,如此一来,在微重力环境下,仍然可以保证液体的形态可控,进而完成立体光刻的成型工艺。

  “将纳米级、亚微米级金属和陶瓷粉末添加到光敏树脂溶液里,相当于把一袋面粉倒入一杯水中,并且还要保持纳米颗粒均匀分散,难度非常大。”王功说。

  2018年7月,在瑞士,团队首次在微重力环境下进行陶瓷材料立体光刻制造技术试验

  2018年,再次在失重飞机上进行试验时,立体光刻工艺被证明行得通,团队将“不可能”变成了“可能”,这也是中国团队在太空制造领域首次提出并验证一个新思路。

  从2015年以来,团队先后完成了4次面向不同工艺和材料的地面微重力模拟飞行试验,从面向陶瓷浆料的立体光刻技术到金属材料铸造工艺、聚合物基复合材料回收与循环利用,团队一次次潜心探索,一次次突破技术难点。

  2019年10月,团队在陕西西安阎良中国试飞院开展国内首次自主失重飞行试验模拟

  2019年10月,在陕西西安阎良,团队通过与中国试飞院合作,完成了我国首次自主微重力模拟飞行试验,这次飞行不论对于中国太空制造,还是对未来其它太空技术验证而言,都是一次零的突破。

  如今,在王功心中,还有很多技术难题求解答案,“太空制造不仅仅是在太空开展3D打印,还有很多制造方式正在进行尝试。目前都是非常简单的探索,重要的是以应用需求为导向,3D打印是解决太空制造的终极手段么,在我看来,实际上这项技术还有许多需要提高和改进的地方。”

  王功坦言,如果太空制造存在小型零部件制造、大型空间装置制造及在轨组装、地外环境综合设施制造等三个阶段的话,那么人类目前的技术也只是处于在第一个阶段,尽管如此,随着上下行运输手段的丰富和技术的进步,实现太空办工厂的愿望并不会太遥远。