Nature子刊：固態(tài)增材制造將太空垃圾轉(zhuǎn)化為功能部件，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的太空制造

2025年8月6日，南極熊獲悉，來(lái)自貝勒大學(xué)和CisLunar Industries的研究人員開(kāi)發(fā)了一種垂直集成方法，利用固態(tài)增材制造技術(shù)將鑄鋁太空垃圾轉(zhuǎn)化為完全致密、結(jié)構(gòu)完好的部件。他們的組合系統(tǒng)——電磁連續(xù)鑄造，然后進(jìn)行雙棒增材攪拌摩擦沉積（TR-AFSD）——可以細(xì)化晶粒結(jié)構(gòu)、修復(fù)缺陷，并生產(chǎn)出適用于軌道或月球應(yīng)用的預(yù)加工部件。

研究結(jié)果以題為“Sustainable in-space manufacturingby upcycling metal space debris via a vertically integrated processing paradigm”的論文發(fā)表在《npj advanced manufacturing》上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s44334-025-00042-z

CisLunar Industries 是一家專(zhuān)注于太空冶金基礎(chǔ)設(shè)施的公司，利用模塊化太空鑄造廠 (Modular Space Foundry)提供原料。鑄造系統(tǒng)采用電磁定位和感應(yīng)加熱技術(shù)，無(wú)需物理接觸即可收集和熔化廢金屬，從而能夠在低重力環(huán)境下進(jìn)行鑄造。這家鑄造廠最初在拋物線飛行條件下進(jìn)行測(cè)試，生產(chǎn)出直徑為 12.7 毫米的 AA6061 鋁棒，用作 TR-AFSD 的原料。

△采用垂直集成工藝方法，利用回收太空垃圾的固態(tài)增材制造技術(shù)加工大型部件

TR-AFSD 裝置將兩根偏置圓棒送入旋轉(zhuǎn)刀頭，產(chǎn)生摩擦熱，使材料軟化并以逐層擠壓的方式擠出，而不會(huì)熔化。與傳統(tǒng)的中心進(jìn)料方法不同，AFSD配置支持更高的沉積速率，同時(shí)保持零件的幾何形狀。在研究中，研究人員在 AA6061-T6 基板上打印了一個(gè)由兩層寬 27 毫米、長(zhǎng) 50 毫米、厚 1 毫米的層組成的雙層結(jié)構(gòu)，形成了一個(gè)可加工的中間零件。

計(jì)算機(jī)斷層掃描顯示，孔隙率從鑄造原料中的0.63%降低到可用加工體積中的0.016%。鑄造材料中含有最大16.5立方毫米的孔隙，而TR-AFSD鍍層僅包含12個(gè)小孔隙（小于0.07立方毫米），且均局限于最終加工過(guò)程中去除的邊緣區(qū)域。由于高進(jìn)給率下材料過(guò)量流動(dòng)而形成的飛邊也局限于周邊區(qū)域，可以回收利用。

△本研究分析的鑄造原料和 TR-AFSD 沉積物的代表性樣本

鑄件材料的X射線熒光分析顯示，裂紋區(qū)域合金元素偏析明顯，F(xiàn)e、Si和Cu的含量分別比鄰近區(qū)域高出2.70%、1.26%和0.34%。能量色散光譜法證實(shí)，這些變化促進(jìn)了β-Al₅FeSi金屬間化合物的形成。光學(xué)和SEM成像顯示，富氧氧化物顆粒和針狀Fe-Si金屬間化合物廣泛彌散分布于整個(gè)鑄件組織中。

TR-AFSD 處理可破壞這些夾雜物。顯微鏡檢查顯示，平均粒徑從鑄造狀態(tài)下的 34.7 μm² 減小至沉積后的 3.1 μm²，減少了 91%。這歸因于旋轉(zhuǎn)刀頭引起的剪切誘導(dǎo)破碎和分散。電子背散射衍射揭示了額外的轉(zhuǎn)變：晶粒尺寸從 112.9 μm 減小至 3.7 μm，小角度晶界密度增加。這些特征表明發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，并通過(guò)霍爾-佩奇效應(yīng)暗示了更高的屈服強(qiáng)度。

△鑄造原料和TR-AFSD構(gòu)建的3D CT重建

回收像AA6061這樣的鋁合金對(duì)于太空原位資源利用（ISRU）至關(guān)重要，尤其是在處理軌道碎片時(shí)。歐洲航天局報(bào)告稱(chēng)，軌道上有超過(guò)35,000個(gè)大于10厘米的物體——這些危險(xiǎn)物體可以轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)部件。TR-AFSD無(wú)需熔融處理或額外合金化，提供了一種以最小能量投入實(shí)現(xiàn)閉環(huán)回收的途徑。

這項(xiàng)研究延續(xù)了早期使用 AFSD 制造鋁-月球風(fēng)化層金屬基復(fù)合材料的研究成果。先前的研究表明，風(fēng)化層負(fù)載會(huì)增加硬度，但顆粒分散性不穩(wěn)定。本研究通過(guò)在沉積前通過(guò)電磁鑄造固結(jié)廢料解決了這一問(wèn)題，從而獲得了均勻的結(jié)構(gòu)和最小的孔隙率。與圓形原料的兼容性也降低了鑄造后加工的要求。

△鑄造原料和 TR-AFSD 構(gòu)建的 EBSD 結(jié)果

制造的功能部件示例包括一把10毫米扳手、符合ISO標(biāo)準(zhǔn)的手術(shù)刀柄和一把手術(shù)探針。所有部件均采用TR-AFSD打印的AA6061材料與10wt%的月壤模擬物混合加工而成。這些結(jié)果證實(shí)了AFSD系統(tǒng)適用于制造長(zhǎng)期太空任務(wù)中必不可少的工具和硬件。

其中一個(gè)限制是需要在沉積前對(duì)鑄棒進(jìn)行加工。研究人員的目標(biāo)是通過(guò)將鑄造和沉積直接集成到一個(gè)連續(xù)系統(tǒng)中來(lái)簡(jiǎn)化這一過(guò)程。額外的工作將涉及拉伸和疲勞測(cè)試，以表征微觀結(jié)構(gòu)以外的機(jī)械性能。

△擬議的ISM范式利用原位空間資源的潛在應(yīng)用

為了了解AFSD系統(tǒng)在太空中的行為，未來(lái)的研究將探究真空、輻射和微重力如何影響沉積過(guò)程中的熱梯度和缺陷演變。光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)等計(jì)算工具將用于模擬非地面條件下的工藝-結(jié)構(gòu)-性能-性能 (PSPP) 關(guān)系。剪切輔助加工與擠壓 (ShAPE) 等技術(shù)也可作為完全繞過(guò)鑄造的替代原料制備方法進(jìn)行評(píng)估。

TR-AFSD 技術(shù)結(jié)合固態(tài)晶粒細(xì)化、氧化物碎裂和孔隙消除技術(shù)，能夠利用非原生鋁廢料進(jìn)行按需制造。這不僅降低了能源成本，減少了材料浪費(fèi)，還符合在嚴(yán)苛環(huán)境下實(shí)現(xiàn)循環(huán)制造的長(zhǎng)期目標(biāo)。應(yīng)用范圍涵蓋從軌道基礎(chǔ)設(shè)施修復(fù)到行星表面壓力容器、工具和設(shè)備的制造。