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抛物线飞行:爱荷华州立大学零重力测试电动喷墨3D打印机

导读:2022年3月,爱荷华州立大学(Iowa State University)的研究人员已经成功在零重力条件下测试了3D打印电子产品。为了取代重力,此团队利用电力将导电油墨逐层打印到玻璃基底上,从而创建复杂的电路。工程师们与美国国家航空航天局(NASA)合作,希望利用这一技术能够在太空中生产传感器,减少宇航员携带的备件,延长太空飞行的时间。

研究团队的首席研究员Hantang Qin解释道:“对于未来的NASA任务、太空探索任务,他们不仅希望能够派人往返,而且还希望有长期可用的基础设施,这就是我们正在努力的目标。我们正在制造打印机,可以在国际空间站(ISS)或火星上停留很长时间。”

△爱荷华州立大学NINJAS研究人员在抛物线试飞期间。

即时维修电子产品

在航天器上,传感器等电子设备损坏的情况并不少见,这会造成很严重的后果。例如,国际空间站上的湿度传感器对机组人员的安全至关重要,如果设备出现故障,则需要紧急更换或维修。尽管向航天器上运送替代品或备件能够解决这个问题,但这样做会增加飞船的重量,增加执行成本。为了解决上述问题,一组被称为航空航天无重力喷墨打印或"NINJAS"团队的研究人员提出了另一种解决方案。他们以电动喷墨打印为原理,用正在申请专利的新型银和钛酸钡墨水制造零件。该团队称,这些材料非常适合生产电子产品,因为它们可以实现超稳定、高分辨率的打印,并且通过进一步的研发,可以在太空或地面创造出新型柔性传感器、软机器人、电路板、半导体和其他微型设备。

作为测试方法的第一步,Hantang Qin和他的团队在2021年底制造了一台原型3D打印机,而爱荷华州的同事Shan Jiang则在他的实验室工作,研究制备导电墨水。Hantang Qin说:“我们实验的目标是在微重力下打印导电电路图案,我们测试了多种具有不同材料特性(例如密度、表面张力和介电常数)的墨水,同时确定了最佳操作条件,包括电压、脉冲频率和喷嘴方向。”

△领导爱荷华州立大学项目的Hantang Qin和Shan Jiang。

NINJAS 零重力实验

在原型机制造完成后,NINJAS的工作人员就将其带到佛罗里达州的劳德代尔堡,“登上”一架改装过的飞机,在该飞机上模拟外太空的条件。这架飞机能够通过以45°上下飞行,使团队和他们的实验品能够在这条曲线的最顶端体验到微重力下的失重状态。

工程师们认为抛物线飞行测试是在不进入太空的情况下评估3D打印机性能的唯一方法,但在零重力下设法操作系统本身并不是一件容易的事,并将其描述为类似于“从30,000英尺高的建筑物跳下20-30秒。”该项目团队中的学生之一Matthew Marander解释说:“适应零重力环境不难,较难是适应超重力、正常重力和零重力之间快速过渡的感觉。如此迅速地在这些状态中切换会让人感到有点迷失方向。”对于此次测试,Jiang总结道,三天测试中的第一天对所有参与者来说都是一种学习经历,但在第二和第三天,团队能够利用3D打印技术打印一些漂亮的图案。在取得初步成功之后,研究人员现在已经加倍研究,在2022年5月的第二次测试之前,升级了打印系统和打印材料。整个团队在420,000美元的资金支持下,希望最终能够帮助NASA开发一个可以大大扩展在太空中制造的材料和设备的平台,因此他们为自己设定了一个长期目标,在提出2024年之前为国际空间站的打印机设计一个新型喷嘴头。

△工作人员在国际空间站内工作。

在轨3D打印在行动

●NASA继续投入大量时间、精力和资金来开展低地球轨道(LEO) 3D打印实验,其中最有前景的技术将在国际空间站上进行测试。就在去年,欧洲航天局的一个财团提出了一款早期的FFF 3D打印机,据说能够创建“无限长”的零件,该打印机已被指定用于国际空间站。

●Made in Space(现为Redwire)等公司也曾帮助国际空间站建立打印系统,该公司在2019年为空间站开发了3D打印零件的塑料回收设施,被称为“Braskem Recycler”。此机器能够将国际空间站的塑料废物转化为原料,减少供应任务,并建立近乎闭环的生产模式。

●除了国际空间站,慕尼黑应用科技大学的研究人员还开发了一种在轨卫星3D打印机,它可以在太空真空中制造太阳能电池板或天线。与爱荷华州的NINJAS计划类似,该项目的启动旨在减轻航天器上的重量,携带更多重要的货物,例如燃料。

●中国科学院空间应用工程与技术中心科研人员在杜本多夫利用欧洲失重飞机成功完成了国际首次微重力下陶瓷材料立体光刻成形技术试验,为了将来能够在空间站直接快速的制造出零部件,在太空直接组建大型望远镜或其他科学仪器。