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专访中科院太空制造技术团队:介绍太空立体光刻3D打印的意义

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【摘要】:
中国科学院空间应用工程与技术中心的太空制造技术重点实验室是此次太空立体光刻3D打印实验的实施团队。关于此次实验的重要意义及研究过程中的难点,中国新闻网与俄罗斯卫星通讯社专访了中国科学院空间应用工程与技术中心王功研究员。

一个月前,随着中国新一代载人飞船试验船进入太空开展在轨验证,中国实施了多项太空3D打印技术在轨实验,碳纤维复合材料3D打印与金属/陶瓷立体光刻微米级精度3D打印制造均在国际上实现零的突破。

中国科学院空间应用工程与技术中心的太空制造技术重点实验室是此次太空立体光刻3D打印实验的实施团队。关于此次实验的重要意义及研究过程中的难点,中国新闻网与俄罗斯卫星通讯社专访了中国科学院空间应用工程与技术中心王功研究员。

王功(右二)与太空制造团队成员在办公室复盘参与新飞船任务项目的过程

王功在采访中介绍:“这次试验突破了以往太空制造中以丝材为主的材料体系,验证了新型太空制造材料及新的技术手段,大幅提高了在轨制造精度。空间立体光刻工艺相比于目前太空制造所普遍采用的熔融沉积工艺,最大的优势在于直接成形精度更高,并且可将材料由高分子材料扩展至陶瓷、金属、生物材料、月壤等纳米/亚微米粉末材料,扩大了可用于太空制造的材料谱系。”

此前,国际同行普遍认为该工艺在微重力环境下不太可能被使用,因为其主要原材料是液体,而液体在微重力环境中非常容易自由飘散。王功介绍称,此实验的难点就在于,需要攻克液体在失重环境下难以精确控制的问题。

在关键技术攻关过程中,该团队创新采用了一种具有剪切变稀特性的软物质材料,针对在轨环境特点,调整其流变性能,即使360度旋转,也不发生任何流动,实现了在失重环境中陶瓷/金属软物质材料的微米级精密在轨制造。

中科院“在轨精细成型实验”(中)实验装置

王功团队的目标是在太空中建立工厂,以服务空间站建设运营。但目前仍有几大难点需要攻克:“在微重力环境下,一方面,航天员保持自身姿态和动作稳定是很困难的;另一方面,难以对材料进行精确控制。而太空中有限的空间和资源对制造设备和工艺提出的挑战是要做到:易操作、低功耗、小型化。另外由于航天员工作生活都在太空中相对狭小的密闭空间,整个制造过程不能产生任何有毒有害物质。”

太空制造的根本目的是提升人类在地外的活动和生存能力。太空制造未来发展可分为“小型零部件制造”“大型空间装置制造及在轨组装”“探测月球、火星等地外深空环境中更综合的制造活动”三个阶段。目前还处于第一阶段,大概只解锁了这个阶段10%的工作,还有大量的工作需要去做。

中国未来空间站

2015年,中科院太空制造团队开始策划第一次微重力3D打印实验,为实现高精度太空制造目标,团队提出并挑战国际同行认为不可能的技术路线——利用立体光刻在太空进行3D打印。

2018年,太空制造团队在失重飞机上对新材料及专门研制的立体光刻设备进行实验,证明思路可行,这也是中国团队第一次在太空制造这个领域提出并且验证了自己的想法。

2019年7月,中科院太空制造团队接到中国新一代载人飞船试验船搭载在轨精细成型实验任务。“在轨精细成型实验装置”通过立体光刻3D打印,成功精细制造出微缩版的国旗、中科院院徽、中国载人航天工程标识、三维支架等8件样品。

采用光固化工艺在太空打印的8个样件

为中国空间站提供更好的太空制造服务

此次经太空实证成功的立体光刻3D打印工艺,具有功耗低、设备轻、精度高等技术优势,着眼于中国航天未来载人探月、登月等长远发展规划布局的任务需求而准备。

王功强调,包括立体光刻在内的太空3D打印,只是太空制造的一个工艺路线,未来的制造方式还有很多种。其团队同步也在研发其他太空制造工艺路线,每一种制造工艺都有其优势和局限性,这取决于未来航天任务的需求。这次太空立体光刻3D打印在新飞船任务中的成功验证,“对团队来说,意味着新的开始。”

针对未来航天应用任务,太空制造团队下一步的计划,一是进一步完善此次在轨成功制造的立体光刻3D打印工艺;二是中国空间站未来两三年即将建成,团队将研发一些针对性技术,希望为空间站建设运营提供更好的在轨制造服务。