在8000米高空做3D打印，這支青年團(tuán)隊開創(chuàng)了世界第一！

來源：共青團(tuán)新聞聯(lián)播

中國科學(xué)院太空制造技術(shù)重點實驗室，這里有一支平均年齡為33歲的青年科研隊伍。他們將中國制造瞄向太空，在國際太空制造領(lǐng)域擁有自己的一席之地。

奮戰(zhàn)七余載

他們探尋微重力環(huán)境下

3D打印的密碼

他們要將中國制造搬到太空

期待未來在太空辦廠

讓中國制造領(lǐng)路全球

星辰大海

他們來了

△2020年5月，在載人飛船試驗船上，在軌開展了陶瓷軟物質(zhì)材料精密太空制造技術(shù)驗證

2020年5月，在由長征5號B運載火箭搭載發(fā)射的中國新一代載人飛船試驗船上，進(jìn)行了一項特殊的實驗——由立體光刻3D打印機(jī)進(jìn)行陶瓷、金屬復(fù)合材料的微米級精度在軌制造。

這是國際上第一次在太空進(jìn)行該類試驗。

在試驗持續(xù)的兩三個小時里，中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心研究員、太空制造技術(shù)重點實驗室主任王功和同事們無比激動。

從2014年以來，中國太空制造試驗從地面走向太空，這不僅是空間距離上的一大步，更是我國太空制造領(lǐng)域前進(jìn)中的關(guān)鍵一步。

△這是一支平均年齡只有33歲的青年科研隊伍

什么是太空制造？為什么進(jìn)行太空制造？在王功看來，后勤補(bǔ)給資源是長期太空探索任務(wù)成功的重要保證，目前主要是通過發(fā)射運載火箭和貨運飛船向空間站進(jìn)行補(bǔ)給，不僅周期長，而且成本昂貴。

“如果需要的零部件在太空里就能直接制造，將是人類太空探索技術(shù)的一次革命性進(jìn)展?！蓖豕Ρ硎?，太空制造技術(shù)是一項對未來航天探索任務(wù)具有革命性影響的戰(zhàn)略性技術(shù)，是人類擺脫對地球資源補(bǔ)給依賴，探索更深遠(yuǎn)宇宙空間所必須掌握的關(guān)鍵技術(shù)之一。

雖然太空制造在空間站在軌應(yīng)急維修保障、大型空間載荷在軌部署等方面具有很強(qiáng)的現(xiàn)實意義，但與地面環(huán)境相比，太空的長時微重力、強(qiáng)輻射、高真空、交變冷熱循環(huán)等環(huán)境也給太空制造技術(shù)帶來了新的挑戰(zhàn)，對于太空制造裝備，也需要滿足高精度、低功耗、小型化、智能化等苛刻的技術(shù)要求。

2014年，我國成立科研團(tuán)隊開始太空制造研究。2017年底，中國科學(xué)院太空制造技術(shù)重點實驗室正式成立，這是一支平均年齡只有33歲的青年科研隊伍。

其實，在國際上，開展太空制造技術(shù)研究的時間無非也才10余年時間。

2014年9月，美國航空航天局在全球第一次將一臺打印機(jī)送到國際空間站，這臺放在手套箱里、以打印塑料為主的打印機(jī)并不大，各項指標(biāo)都不算先進(jìn)，但卻引發(fā)廣泛關(guān)注。

“這是在空間站第一次有了自動化生產(chǎn)的工具?！蓖豕φf。

△2016年3月，在法國，團(tuán)隊成功進(jìn)行首次微重力條件下的3D打印試驗

2015年，王功開始策劃第一次微重力環(huán)境下的3D打印試驗。由于當(dāng)時我國還沒有建成空間站，借助中科院與德國宇航局的合作關(guān)系，團(tuán)隊將試驗挪到了歐洲航天局的失重飛機(jī)上。失重飛機(jī)在地面上模擬太空環(huán)境的一個重要試驗平臺。

在8000米高空，當(dāng)飛機(jī)關(guān)閉發(fā)動機(jī)，開始一個自由落體的拋物線下降時，會產(chǎn)生22秒的微重力環(huán)境。

正是利用31次重復(fù)循環(huán)的22秒微重力環(huán)境狀態(tài)，王功團(tuán)隊不斷測試3D打印效果，打印出“中國科學(xué)院”五個字。

29歲的3D打印機(jī)系統(tǒng)設(shè)計負(fù)責(zé)人劉亦飛，親歷了第一天的失重飛行。他說，第一次微重力環(huán)境3D打印試驗，令團(tuán)隊收獲頗豐，拿到樣品那一刻，每個人都無比開心。

“試驗成功了，其實試驗?zāi)繕?biāo)并不是要打印多么完美的作品，而是我想驗證一下微重力環(huán)境對3D打印的影響效果。”王功說。

△團(tuán)隊在微重力環(huán)境下打印出“中國科學(xué)院”五個字

通過這次試驗，王功發(fā)現(xiàn)熔融沉積技術(shù)的兩個缺陷：產(chǎn)品性能有限并且制造精度距離在軌直接裝配使用還存在不小距離。

為此，在完成首次微重力模擬試驗之后，中科院太空制造實驗室轉(zhuǎn)向利用立體光刻來進(jìn)行太空制造的路線。

“這個原理很簡單，利用紫外光去觸發(fā)光敏樹脂的光聚合反應(yīng)來進(jìn)行固化，有點像女生涂指甲油，然后在紫外燈下去照射固化?！蓖豕φf，這是一種被美國航空航天局研究過并被否定了的工藝。

“原因在于這種工藝的原材料是液體，而在微重力環(huán)境下，液體漿料受表面張力的影響，很容易自由飄散，難以控制其穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)而無法完成打印過程?！蓖豕Ρ硎?。

△在法國，團(tuán)隊在進(jìn)行微重力環(huán)境下模擬試驗后合影

如何能找到一個方法，來保證液態(tài)材料無法自由流動？

經(jīng)過探索、試驗，團(tuán)隊選擇將陶瓷粉末、樹脂溶液和光引發(fā)劑等材料進(jìn)行混合匹配，開發(fā)出一種全新的陶瓷膏體材料。這種材料類似牙膏狀，在沒有外力時，可以保持固有形態(tài)，如此一來，在微重力環(huán)境下，仍然可以保證液體的形態(tài)可控，進(jìn)而完成立體光刻的成型工藝。

然而，就是這樣一項工藝，團(tuán)隊前后研發(fā)了兩年。

“將納米級、亞微米級金屬和陶瓷粉末添加到光敏樹脂溶液里，相當(dāng)于把一袋面粉倒入一杯水中，并且還要保持納米顆粒均勻分散，難度非常大。”王功說。

△2018年7月，在瑞士，團(tuán)隊首次在微重力環(huán)境下進(jìn)行陶瓷材料立體光刻制造技術(shù)試驗

2018年，再次在失重飛機(jī)上進(jìn)行試驗時，立體光刻工藝被證明行得通，團(tuán)隊將“不可能”變成了“可能”，這也是中國團(tuán)隊在太空制造領(lǐng)域首次提出并驗證一個新思路。

從2015年以來，團(tuán)隊先后完成了4次面向不同工藝和材料的地面微重力模擬飛行試驗，從面向陶瓷漿料的立體光刻技術(shù)到金屬材料鑄造工藝、聚合物基復(fù)合材料回收與循環(huán)利用，團(tuán)隊一次次潛心探索，一次次突破技術(shù)難點。

△2019年10月，團(tuán)隊在陜西西安閻良中國試飛院開展國內(nèi)首次自主失重飛行試驗?zāi)M

2019年10月，在陜西西安閻良，團(tuán)隊通過與中國試飛院合作，完成了我國首次自主微重力模擬飛行試驗，這次飛行不論對于中國太空制造，還是對未來其它太空技術(shù)驗證而言，都是一次零的突破。

如今，在王功心中，還有很多技術(shù)難題求解答案，“太空制造不僅僅是在太空開展3D打印，還有很多制造方式正在進(jìn)行嘗試。目前都是非常簡單的探索，重要的是以應(yīng)用需求為導(dǎo)向，3D打印是解決太空制造的終極手段么，在我看來，實際上這項技術(shù)還有許多需要提高和改進(jìn)的地方?！?br />
王功坦言，如果太空制造存在小型零部件制造、大型空間裝置制造及在軌組裝、地外環(huán)境綜合設(shè)施制造等三個階段的話，那么人類目前的技術(shù)也只是處于在第一個階段，盡管如此，隨著上下行運輸手段的豐富和技術(shù)的進(jìn)步，實現(xiàn)太空辦工廠的愿望并不會太遙遠(yuǎn)。

△團(tuán)隊在陜西西安閻良