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国际首次在零重力环境3D打印金属工具

国际首次在零重力环境3D打印金属工具

供稿人:池金春,李涤尘   发布日期:2018-10-13
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随着人类越来越深入地开发太空,3D打印为人类在太空中定制所需要的工具提供了便捷的途径。人类梦想只需要配备原材料和打印机,就可以在太空零重力环境下根据即时的需要定制工具,避免了从地面发送成形工具到太空的昂贵费用和耗时。

2013年美国宇航局NASA通过飞机抛物线飞行实验首次在零重力环境下测试了塑料零件熔丝成形的3D打印技术(简称FDM),并与2014年将FDM设备送到国际空间站投入使用。受到技术限制,目前为止在空间站只有塑料材料的3D打印,还没有金属材料的3D打印机。2018年3月,德国联邦材料研究所(BAM)首次通过飞机抛物线飞行实验成功模拟了在零重力环境3D打印金属工具,打印原材料为不锈钢粉末。

图1 参加零重力的BAM研究团队(左)和抛物线飞行(右)

当前金属3D打印的原材料是金属粉末,因为粉末不能在没有重力的环境下固定在打印平台(既粉末床)上,所以零重力打印的主要难点在于粉末床的稳定性和安全性。BAM研究小组开发的方法利用了专用泵驱动保护气氛的内部循环把粉末吸附在粉末床上,以此来提高粉末床的稳定性和安全性。该实验的成功为在太空中3D打印金属零件进一步提供了技术验证。

图2 零重力金属3D打印设备(左)和首次打印成形金属工具(右)
图3 粉末床底部过滤系统
图4粉末床稳定性对成形件的影响

在这次实验中,BAM研究团队使用氮气作为保护气氛,在粉末床底部连接真空泵形成负压,驱动粉末床内部形成从上往下的气流来固定粉末床,并在底部设计过滤系统避免粉末被气流带走,如图3所示。研究发现,粉末床内部气流不仅有固定粉末床的作用,也有利于避免打印过程中因成形件的滑动而导致的零件变形,如图4所示,没有气流固定的打印件,因为受到铺粉过程中拖拽力的作用容易变形(左图),而有气流固定的粉末床可以避免零件被拖拽变形(右图)。

参考文献:

  1. https://www.bam.de/Content/EN/Standard-Articles/News/Special-pages/parabolic-flight-2018.html
  2. https://3dprintingindustry.com/news/german-materials-researchers-explore-zero-gravity-metal-3d-printing-124039/
  3. https://www.bam.de/Content/EN/News-announcements/2017/2017-01-19-parabolic-flight.html
  4. Zocca, Andrea, et al. "Powder-bed stabilization for powder-based additive manufacturing." Advances in Mechanical Engineering 6 (2014): 491581.