《Nature》子刊發(fā)表研究成果，太空微重力環(huán)境下金屬打印實驗取得重大突破

來源：先進增材工藝

金屬增材制造，尤其是基于激光的粉末床熔合技術，在航空航天領域中大大節(jié)省材料和時間，提高了質量。盡管已有空間站和對月球的探索，但這些里程碑任務尚未配備在太空中制造金屬部件的技術，因此開發(fā)和使用太空制造（ISM）和就地資源利用（ISRU）技術至關重要。

2023年10月6日，德國航空和航天中心（DLR）材料物理研究所與德國聯(lián)邦材料研究和測試機構（BAM）聯(lián)合在《NPJ Microgravity》期刊發(fā)表最新研究成果“Additive manufacturing of metallic glass from powder in space”，研究人員在這里提出了一種在微重力下使用金屬粉末建造零件的設備。這已在幾次探測火箭飛行中得到驗證，在這些飛行中，通過太空中的增材制造技術制造的基于鋯的金屬玻璃部件被成功構建。研究結果充分證明了在微重力條件下進行增材制造的可行性，并強調了進一步研究和優(yōu)化的潛力。這顯著推進了ISRU和ISM，并為未來在長時間微重力環(huán)境中的測試鋪平了道路。德國航空和航天中心（DLR）材料物理研究所Christian Neumann.為通訊作者。


增材制造（AM）為太空飛行帶來了革命性的潛力，其中，基于激光的粉床熔化（PBF-LB）技術因其在各種材料上的適用性而受到關注。與此同時，金屬玻璃因其優(yōu)越的耐腐蝕性和機械性能而備受矚目，但其在鑄造中的尺寸限制一直是一個問題。為了探索在微重力環(huán)境下結合PBF-LB和金屬玻璃的潛力，研究人員選擇了發(fā)聲火箭作為實驗環(huán)境，這被視為未來在軌AM設備發(fā)展的關鍵步驟。

研究人員通過獨立于重力環(huán)境的粉末工藝中用塊狀金屬玻璃制造零件實驗，由此設計和建造了稱為MARS-M的設備(Multimaterial Additive manufacturing for Research and Space-flight for MAPHEUS)，總長 700 毫米，直徑438 毫米，凈重 44 公斤，火箭有效載荷的外部結構為12 公斤。它包含一個緊密輕便的全自動策卡爾AMI 設備，包括控制計算、數(shù)據(jù)采集和處理、粉末穩(wěn)定和電力供應，使用PBF‑LB（即使用粉末原料）在微重力下增材制造金屬玻璃零件。

圖1. MARS-M火箭有效載荷模塊。MARS-M(左)，其中的一部分MAPHEUS-10火箭有效載荷(右)。

圖2.裝有構建平臺（此處沒有粉末）和粉末容器的墨盒

圖3.硬件和通訊系統(tǒng)圖

圖4.具有不同參數(shù)的 AMZ4 示例。參數(shù)的差異導致了表面光滑度和光澤的光學差異。在激光功率最低的地方，表面的光滑度也是最低的。而在最高的地方，區(qū)分構建段落的各個線條變得更加困難�？傮w尺寸約為26 mm × 28 mm。（AMZ4 現(xiàn)稱為AMLOY-Zr01，工業(yè)級，Heraeus AMLOY）

圖5.分段“A +  B”掃描策略的示意圖。激光沿著垂直于圖形的方向移動，每一層與前一層相對錯開半個孔距。

圖6. 由八層 AMZ4 粉末制成的部件

MARS-M設備特點

1.機械裝置
MARS-M 快速成型制造系統(tǒng)中使用的機械設備包括用于激光掃描和粉末層應用的 X 軸和 Y 軸、用于構建平臺位移的垂直 Z 軸以及用于粉末層應用的附加 E 軸。X 軸和 Y 軸使用自潤滑聚合物軸承，而 E 軸使用干運轉軸承。每個軸都由步進驅動器驅動，并由光學末端停止開關限制。

2.激光系統(tǒng)
MARS-M裝置中使用的激光系統(tǒng)設計用于承受飛行過程中所受的力，并獨立于空氣對流運行。它由作為光源的光纖耦合二極管激光器、連接到光纖端的激光光學器件、二極管驅動電子器件和冷卻系統(tǒng)組成。激光二極管模塊在976nm的波長下提供283W的最大光功率。激光系統(tǒng)設計緊湊、重量輕，確保其適用于太空應用。

3.壓力室
MARS-M設備中的壓力室旨在為增材制造實驗創(chuàng)造一個可控的環(huán)境。它是密封的，以此在加工過程中保持恒定的壓力和氧氣濃度。該艙室可承受疏散和太空飛行期間的壓差，包括一個用于固定構建平臺和粉末容器的藥筒，便于在飛行配置過程中進行更換。

4.構建平臺
MARS-M 快速成型制造系統(tǒng)使用的制造平臺是一個 45 毫米 x 45 毫米的平臺，由 5 毫米厚的多孔不銹鋼燒結體制成。它的孔徑為 8 微米，設計用于承受飛行過程中產(chǎn)生的力。

5.遠程控制
該設備控制器板具有控制步進驅動器、激光功率和電源開關的接口，以讀取和寫入數(shù)字輸入以及讀取和讀取數(shù)據(jù)、控制溫度。該板通過板載驅動器控制 X、Y、Z  和  E  軸的步進驅動器以及相應的終點擋塊和位置開關。

關鍵結論
1.MARS-M設備是一種在太空中進行增材制造實驗的先進設備。它具有自動化控制、緊湊輕便的機械結構和穩(wěn)定的激光系統(tǒng)，可以在微重力環(huán)境中進行部件建造。

2.該設備的機械結構采用了耐磨性好的聚合物軸承和碳纖維增強聚合物材料，以減輕重量，并且具有足夠的強度來承受不同飛行階段的靜態(tài)和動態(tài)負載。

3.激光系統(tǒng)采用光纖耦合二極管激光器，具有高功率和穩(wěn)定的輸出。為了在太空中進行連續(xù)工作，采用了一種特殊的冷卻系統(tǒng)，以確保激光器的穩(wěn)定性。

4.壓力室和氣體流動系統(tǒng)確保了建造過程在恒定的氣壓和氧氣濃度下進行。通過閉環(huán)氣體流動系統(tǒng)，粉末顆�？梢员煌葡蚪ㄔ炱脚_，實現(xiàn)部件的建造。


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Neumann, C., Thore, J., Clozel, M.et al. Additive manufacturing of metallic glass from powder in space. npj Microgravity 9, 80 (2023). https://doi.org/10.1038/s41526-023-00327-7