伯明翰大学研发的微重力金属3D打印机

　　将3D打印机送入太空早已出现在人类太空探索的日程表中，美国航空航天局(NASA)和欧洲航天局(ESA)先后将塑料3D打印机送入国际空间站，让这些3D打印机在失重的环境中进行工作，为空间站快速制造小型塑料零部件。在NASA的组织下，由工业级3D打印机制造商nScrypt和生物墨水供应商Bioficial Org等机构共同研发的太空生物3D打印机，也已经通过了失重状态下的人体组织3D打印的测试，为下一步进入太空做了准备。

　　3D打印机的太空之旅并不仅限于塑料和生物3D打印机，将金属3D打印机送到国际空间站中也已经提上日程。英国伯明翰大学先进材料和工艺实验室(AMP Lab)的科学家团队已经研发出微重力金属3D打印机，在条件成熟的情况下这台金属3D打印机也将被到国际空间站中。伯明翰大学的研究团队在研发这台特殊的金属3D打印机过程中有哪些需要解决的问题?这台3D打印机又有什么特别之处?本期，3D科学谷就与谷友共同来了解一下这些问题。

　　艰巨的任务已迈出第一步

　　克服失重，解决后处理和功率问题 我们可以想象一下，在失重的情况下任何人和物都会漂浮起来，金属3D打印常用的粉末材料也不会例外，他们不会静静的保持在粉末箱中的固定位置等待激光器将它们进行熔化，而是会漂浮起来。因此确保在没有重力的情况下将金属打印材料进行熔化并沉积在指定位置是在太空中完成金属3D打印所需要解决的问题。

　　图片来源：Amanda Field

　　那么伯明翰大学的研发团队是如何解决这个问题的呢?伯明翰大学研发的微重力金属3D打印机可以进行铝金属的3D打印，而打印材料并不是铝金属粉末，而是铝金属丝材，金属丝材的3D打印技术为直接能量沉积(DED)3D打印技术。在打印中铝金属丝材被送入3D打印机，加热至其熔点，并挤压成指定形状。随着铝冷却，其表面张力会使打印材料逐层融合在一起，在这个过程中不需要依靠重力。

　　3D打印完成之后需要有后处理环节，在国际空间站中进行金属3D打印也不例外。因此，如何在空间站中进行金属3D打印零部件的后处理也是伯明翰大学需要解决的问题。伯明翰大学使用的金属3D打印技术与Norsk Titanium的快速等离子沉积技术类似，无需模具直接实现金属零部件的自由近净成形。不过在完成零部件的3D打印之后还需要通过机加工来达到最终的精度。出于这个原因，伯明翰大学研究团队的负责人Carter教授认为若要在国际空间站上完成金属零部件的快速制造，除了这台金属3D打印机还需要有一台CNC机床，以完成零部件的精加工。去除打印中产生的支撑结构也是后处理环节需要考虑到的问题，对此Carter教授认为应将支撑结构添加在零件内部易于去除支撑的薄弱点中。

　　研究团队还有一个需要考虑到的问题是金属3D打印机在国际空间站中的供电需求，研究团队需要确保金属3D打印机的功率小于1500瓦，现阶段研发出的微重力金属3D打印机已实现这个目标，该设备的功率为1300瓦，比一些厨用电热水壶的功率还要小。

　　失重测试结果如何? 伯明翰大学的微重力金属3D打印机从项目发起到打印机诞生经历了大约三年时间。伯明翰大学的研究团队与欧洲宇航局的工程师共同对这台金属3D打印机进行了在微重力环境下测试，测试过程是在三架空客微重力测试的飞机上进行的，每架飞机都进行了31次微重力抛物线飞行，每次持续时间为22秒，总测试时长超过半个小时。

　　22秒钟的测试时间听起来很短暂，但对于Cater的研发团队来说已经获取了丰富的实验数据，并成功验证了他们在微重力环境下利用金属材料熔化的表面张力来实现金属沉积的构想是行之有效的。在失重测试时，研究团队还试验了沉积非常薄的金属材料，该试验取得了积极的效果。

　　对微重力金属3D打印机的初期测试取得了良好效果，研究团队的下一个目标是解决如何在国际空间站的失重环境下让打印环境保持恒温的问题，在国际空间站的环境中铝金属熔化时产生的热量会让周围温度升至500-600度，研究团队需要测试多种冷却方法来实现恒温。

　　在太空失重环境下进行金属3D打印的第一步已经完成了，伯明翰大学研发的这台金属3D打印机何时可以送入国际空间站中开启真正的金属3D打印太空之旅? 研发负责人Carter教授表示这是一项艰巨的任务，完美的情况下在2020年有望实现这个目标。

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