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反重力:这家国内企业推出太空金属3D打印解决方案!

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太空金属3D打印是一个非常小众的领域,但笔者近日注意到,国内已经有企业瞄准该场景的应用需求,开发出了能够适用于太空特殊环境的金属增材制造方案。

这家企业就是通历激光,它表示,其自主研发的环形光斑同轴送丝3D打印技术,专门解决高真空、微重力、密闭低氧等特殊环境带来的挑战。

本期内容,我们首先回顾太空金属3D打印进展,以及上述因素如何影响打印,通历激光又是如何解决这些问题的。


太空金属3D打印进展

在太空微重力环境下开展金属3D打印实验、进行原位制造,已经从概念设计走向了工程应用。

最终目的就是要在太空环境直接制造工具、开展维修,而不需要考虑要带什么“上天”,可从根本上解决发射成本高、尺寸受限、补给周期长的问题。

2024年,国际空间站首次接收太空金属3D打印机,在接下来的一年时间内完成了多次试验。

2026年,我国太空金属3D打印取得重大突破。1月,中科院力学所在力鸿一号遥一飞行器上开展了分钟级的太空金属3D打印实验,使该技术研发正式进入工程验证阶段;4月,中科院力学所在轻舟试验飞船上再次开展演示验证,使我国初步具备了太空金属3D打印关键技术的系统验证能力。


以上便是全球范围内太空金属3D打印的进展情况,所采用的工艺类型均为激光熔丝技术。

太空金属3D打印的难点

及通历解决方案

在太空微重力、高真空、密闭空间和极端温差造成的综合作用下,激光熔丝技术的设备稳定运行和成型都存在巨大挑战。通历激光指出,其开发的方案正是围绕这些困难而设计。

1. 微重力下熔池易失控

在地面重力环境下,熔融金属会自然下沉和铺展。但在太空微重力环境下,液态金属的行为由表面张力和毛细力控制,会造成熔滴球化、沿丝材“往回爬”等问题。

针对该难题,通历激光推出的是环形激光+同轴送丝方案,采用Z型垂直居中送丝结构和环形光斑完整包裹金属丝材,形成360°均匀能量分布,这种均匀加热可消除加工方向的限制。


这种“光包丝”的同轴送丝方式使材料的利用率更高。配合其自研的高精度伺服送丝校直一体化单元,通历激光表示可确保丝材稳定、垂直送入光斑中心,避免微重力下的送丝易偏斜问题。

通历激光强调该装置能够实现反重力打印,均匀的能量输入有利于保持熔池稳定,减少气孔、成型不均等问题,满足多角度、全位置及复杂姿态下的打印需求。

而针对铜等高反射金属,通历激光表示,还可拓展红蓝光复合光源,结合同轴CCD视觉监测系统实时观察熔池状态,为工艺参数优化及闭环调控提供支持,拓展航天特种材料的打印能力。


2. 高真空,散热难、蒸发猛

真空环境下的热量几乎只能通过热辐射散热,而同时,真空下金属的沸点会明显降低,更易蒸发。这些金属蒸汽会像“镀膜”一样污染光学镜片,不仅可能遮挡激光,还可能造成更严重的后果。

对此,通历激光进行了全密封光路+实时监测设计。

在核心光学系统内部冲入了保护气体进行全密封正压设计,使外部粉尘、水汽、金属蒸汽无法进入,能够有效防止镜片污染。

同时,整套装置还配备了OPT光路实时监测系统,对镜片温度和光路运行状态持续监控,一旦出现异常可自动触发警示与联动保护,这对密闭环境下的长时间安全运行至关重要。


PT光路实时监测系统

3. 空间有限,维护困难

在太空环境下开展3D打印实验的另一现实难点,是空间站的空间有限,这给其安装和维护就带来了一定困难。以国际空间站的金属3D打印设备来说,其大小就进行了特殊定制。

通历激光对激光头进行紧凑和轻量化的结构设计,使其满足太空舱、真空密闭舱等有限空间的安装需求,并且能安装在机械臂、龙门等多种运动平台上,使其适用于空间站外部维修等操作,便于不同设备的集成与改造。

此外,它还采用了送丝机构的模块化设计,可根据舱体结构选择不同安装方式,便于与各类真空密闭设备进行集成。这对安装提供了灵活性,同时也让设备的维护更加方便。


针对高真空、微重力、密闭空间等特殊使用场景,通历激光采用环形光斑、密封光路、全位置打印、高精度送丝、智能监测及模块化集成等技术,提升了激光送丝增材制造系统在复杂环境下的适应能力。

此外,该公司特别指出,该系统核心光路结构均为自主研发,实现了国产化自主可控,不依赖进口器件,这对航天级应用的供应链安全来说至关重要。

虽然太空3D打印远没有到达实质应用的阶段,但已经有企业开始了预研,我国的太空科研和建设取得更大进展将指日可待。

注:本文由3D打印技术参考创作,未经授权,谢绝转载。


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