来自奥本大学和美国宇航局马歇尔太空飞行中心的研究团队成功展示了一种新型增材制造工艺，未来宇航员可利用该技术直接在太空中制造电子元件。这项研究成果发表在《npj先进制造》期刊上，研究表明，在微重力条件下，可以使用干燥、无墨水的打印工艺制造出导电的银和铜结构。研究人员表示，这项工作将有助于在未来太空任务中实现按需电子制造。
奥本大学的Masoud Mahjouri-Samani正在试用一款3D打印的电子设备。图片由NanoPrintek提供
宇航员们早已在太空中使用3D打印机来制造工具和替换零件，但电子产品的制造是另一项挑战。目前探索的许多方法都依赖于液体材料，这些材料在失重状态下难以操作，在太空应用中并不可行。该项目由奥本大学研究员马苏德·马胡里-萨马尼（Masoud Mahjouri-Samani）领导，历时多年研究而成。他同时创立了专注于干式纳米颗粒制造技术的初创公司NanoPrintek。2022年，NASA向该团队拨款150万美元，用于开发并在太空环境中测试这套系统。为解决这一难题，研究人员开发了所谓的干式增材纳米制造平台（Dry-ANM）。该系统不像传统打印那样使用墨水，而是通过制造微小的金属颗粒（即纳米颗粒），将其放置在表面上，然后烧结在一起形成导电结构。该工艺使用银和铜这两种电子行业中最常用的材料。设备本身相当紧凑——大约相当于一个小型家电的尺寸，边长约60厘米，并将颗粒生成、打印和烧结功能集成于一个系统之中，这对于空间有限的未来太空任务而言是一个重要优势。
干式ANM微重力打印活动。图片由Mahjouri-Samani等人提供，发表于《npj先进制造》（2026年）
与许多传统3D打印系统不同，该平台在制造过程中直接生成金属纳米颗粒，而非依赖预制的墨水或粉末。这项技术旨在规避液态制造系统所面临的一系列挑战，因而特别适合在太空环境中使用。研究团队在为期两天的系列抛物线飞行中对这项技术进行了测试，飞行中制造了短暂的失重环境。在50次、每次持续约25秒的独立微重力时段中，研究人员成功制造出导电金属结构，并在微重力环境下观察了整个制造过程。团队利用该系统制作了银和铜的结构，包括天线和其他导电图案。
有效载荷设计与分析，包括打印机系统布局、安装的有效载荷、操作员人体工程学以及FEMAP模型。图片由Mahjouri-Samani等人提供，发表于《npj先进制造》（2026年）。
这些飞行是NASA支持的一项测试活动的一部分，奥本大学研究人员于去年首次宣布了该活动。本月发表的论文首次详细展示了该系统在微重力环境下的性能表现。关键发现之一是，金属颗粒在微重力环境下的行为与在地球上有所不同。即便如此，研究团队仍能够调整工艺，并在测试期间持续制造出功能性的金属结构。根据论文所述，他们认为进一步的改进可以进一步提升技术性能。研究人员还指出，该平台此前已用于其他材料，包括氧化锌、氧化铟锡和介电材料，这表明它最终可用于制造更复杂的电子系统。
这项研究的价值不仅仅在于能够在太空打印电子产品。这项技术最终可以让宇航员按需制造定制传感器、修复受损系统，以及生产替换电子元件。未来任务无需携带大量备件库存，可以在需要时当场制造所需部件。
在微重力环境下运行的打印机实时展示了颗粒生成（打印室内显示为绿色）、颗粒通过喷嘴输送以及烧结和打印过程。图片由Mahjouri-Samani等人提供，发表于《npj先进制造》（2026年）
研究人员表示，这对地球轨道以外的任务尤其有价值。例如，前往火星的旅程可能需要数月时间，替换零件很难获得。如果设备发生故障，宇航员可以自行制造替换零件，而无需等待从地球补给。这并非3D打印电子元件首次参与太空研究。此前，研究人员已向太空发送过3D打印电子元件进行测试，也有多个团队探索了在轨道上制造电子设备的方法。然而，在微重力环境下制造这些设备所需的材料仍是一大挑战。为探索这一问题，研究人员将关注点聚焦于制造工艺本身。他们的实验表明，在反复的失重状态下能够制造出导电金属结构。与许多依赖液体材料的打印电子系统不同，奥本大学开发的平台采用全干式工艺，消除了太空制造所面临的一个关键挑战。
这项研究的时机非常契合。NASA的阿尔忒弥斯二号任务已于今年早些时候完成了绕月飞行，阿尔忒弥斯三号计划于2027年实施，该机构正朝着更长距离、更长时间的载人探测迈进。显而易见，随着宇航员远离地球，损坏设备的更换将变得异常困难。允许宇航员按需制造电子元件的技术，可以支持从传感器、通信硬件到关键航天器系统的各类需求。毕竟，在需要的地方生产电子元件，而不是从地球发射每一个替换零件，始终是太空制造的长期目标之一。
来源：中国3D打印网
0 留言