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中國研發太空制造技術 實現世界首次微重力陶瓷3D打印
2018-06-20

科研人員在觀察金屬材料微重力環境下鑄造的技術實驗樣品在地面脫模情況。(中科院空間應用工程與技術中心 供圖)

新華社北京6月19日電(記者喻菲)作為地球上最早發明陶瓷的文明之一,中國正在研發能夠在太空制造陶瓷的技術。它最令人激動的應用是到月球、火星或其他星球上去建造基地,當然你也可以利用這一技術將月塵做成茶壺茶碗,為自己泡一杯茶。

近日,中國科學院空間應用工程與技術中心科研人員在瑞士杜本多夫利用歐洲失重飛機成功完成了國際首次微重力環境下陶瓷材料立體光刻成形技術試驗。

領導這項實驗的中國科學院太空制造技術重點實驗室主任王功說:“立體光刻是一種在地面上常用的3D打印工藝,但以往航天界認為這種工藝不適用于微重力環境。”

中國科學家同時還利用3D打印的陶瓷模具完成了首次微重力環境下金屬材料鑄造技術試驗。

王功說,這兩項試驗的目的是為了將來能夠在空間站快速制造出零部件;在太空直接組建大型望遠鏡或其他科學儀器;更長遠的目標是為了開展月球、火星等深空探索。

他說:“月塵的主要成分是納米級或亞微米級的硅酸鹽顆粒,其形態與我們平時制作陶瓷的原料形態類似。月壤內還含有鈦、鋁、鐵等金屬。”

“我們想探索一種工藝用月塵制造出陶瓷模具,再用這些模具將月壤中的金屬鑄造成金屬元部件。”

然而,微重力環境下粉末材料難以在制造過程中得到有效控制,國際上普遍采用絲狀材料作為太空制造的主要材料形態,但該種方式的一次成型精度和表面光潔度較低,實際應用潛力受限。

中國科學家研發出一種技術,將精細的粉末均勻地混入一種特殊的樹脂中,制作成膏體,再通過光刻固化。

中科院實驗團隊完成飛行任務后合影留念。(中科院空間應用工程與技術中心 供圖)

“我們團隊花了兩年多時間研究如何制造這種不會在微重力環境中四處飄散的膏體,這是我們的技術最具創新,最有價值的部分。這一技術可以用來加工月壤等各種精細粉末。”王功說。

據介紹,本次試驗于6月12日開始,截止到6月13日下午,共進行了28次微重力、2次月球重力和2次火星重力飛行,搭載的兩套裝置共獲得10件陶瓷樣品和8件金屬樣品。

這次制造的陶瓷樣品,包括一面半個手掌大小的具浮雕效果的陶瓷國旗,有五角星和“中國”字樣,一塊六邊形結構件和幾個立方體。金屬樣品包括螺絲釘和一個小扳手。

微重力環境下立體光刻制造技術打印的陶瓷樣品。(中科院空間應用工程與技術中心 供圖)

“我們想驗證通過這一技術可以制造出平整規則的物體,我們還將測試樣品在不同重力條件下的致密度。”王功說,“我們獲得的樣品質量都很好,說明這種工藝對不同重力的適應性是非常不錯的,驗證了這種思路是可行的。”

他說,這一新技術有望在未來實現半導體、生物支架、光學部件、微機電系統等產品在太空探索任務中的原位快速制造,也為月塵月壤等月球資源的就位利用提供了新技術途徑,將在太空制造領域產生深遠影響。

王功說,目前試驗所使用的設備還需要人來操作。“我們未來的目標是希望可以在無人或機器人參與的情景下開展地外制造工作。但那樣的智能設備會更加復雜。”

“美國的馬斯克和他的SpaceX公司目前正在解決如何讓人類到達其他星球的問題,而我們實驗室要解決的是如何讓人在其他星球生存下去的問題。”王功說。

據介紹,中國科學院太空制造技術重點實驗室是國際上第一個以先進太空制造技術為研究主題的實驗室,繼2016年牽頭開展中國首次“太空3D打印”技術實驗后,歷經兩年多的研究和準備,自主研發了本次任務所用的納米級類固態陶瓷膏體材料、3D打印陶瓷耐高溫模具以及兩套試驗裝備,為中國空間站、在軌服務及深空探索等任務中實現多種材料的高精度制造奠定了必要技術基礎。

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