来自奥本大学和美国宇航局马歇尔太空飞行中心的研究人员已经证明，无需液态油墨即可在微重力条件下打印导电金属结构，他们使用的是紧凑型独立系统，该系统可按需生成、沉积和烧结金属纳米颗粒。这项研究发表于《npj先进制造》期刊，展示了为期两天的抛物线飞行活动的结果，代表着向长期太空任务中按需电子制造迈出了一步。
干式、无油墨方法
这项研究核心技术是奥本大学开发的干式增材纳米制造（Dry-ANM）平台。该系统不依赖预制的油墨或粉末，而是利用激光烧蚀将固态银或铜靶材汽化，在微型腔室内将产生的蒸气冷凝成纳米颗粒，并通过氩气载气将其输送到基材上，再由第二束激光实时烧结。这台打印机的边长约为610毫米，将颗粒生成、沉积和烧结集成在一个封闭单元中——这是受航天器有限空间限制而做出的设计考量。
该系统在地球上已曾用于氧化锌、氧化铟锡和介电氧化物（除银和铜之外）的打印。团队还指出，原则上固体靶材可以从回收的太空硬件中获取；根据NASA的碎裂模型，银和铜等高密度金属按材料密度计算可能占太空碎片的10%。
Dry-ANM微重力打印活动。图片来源：Colton Bevel等人，发表于《npj先进制造》
五十次抛物线、两种金属、混合结果
飞行活动在堪萨斯州萨利纳市由零重力公司运营的一架改装波音727飞机上进行。在为期两天的飞行中，飞机执行了50次抛物线机动，每次提供约25秒的微重力环境。研究人员在这些微重力间隔期间打印了银和铜的线路——包括直线、5G天线图案、叉指电极和螺旋线——并与之前用相同参数在地面生产的对照样品进行了比较。银在微重力条件下表现良好。降低的舱内压力（75千帕）和无重力环境增加了颗粒流向基材的流量，从而加厚了打印线条，促进了更致密的颗粒堆积和颗粒间更快的颈部形成。在飞行中打印的五次通过银线路平均电阻率达到13.8 μΩ·cm，而地面样品为26.5 μΩ·cm——降低了49%。扫描电子显微镜（SEM）证实微重力样品具有更致密的微观结构和更大的平均颗粒接触面积。
铜则呈现不同结果。同样增加的颗粒通量导致了局部过熔：微重力下横截面积增加了约七倍，但电阻并未按比例下降。在8至14次通过范围内，铜的电阻率从地面的41.3 μΩ·cm升至飞行的160.8 μΩ·cm。作者将其归因于铜较低的熔点和较高的氧化倾向，这使得该材料对额外热负荷更为敏感。飞行中途将激光能量密度降低1%并不足以防止SEM成像中观察到的熔池不连续性。作者指出，在未来的飞行中降低铜的激光功率密度应能解决过熔问题。
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。图片来源：Colton Bevel等人，《npj先进制造》。
为何在太空打印电子器件仍然困难重重
大多数为太空开发的电子打印方法都依赖溶剂型油墨，而这种依赖性在微重力下会产生叠加问题。没有重力引导沉积时，液滴行为会发生变化，喷嘴更容易堵塞，而洗涤或将打印件与液态树脂分离等后处理步骤在失重环境中也变得不切实际。虽然增材制造已在太空的结构件和聚合物部件领域取得了实质性进展，但功能性电子产品——导电线路、传感器、天线——仍难以实现在轨按需制造。
多个研究团队已在抛物线飞行中测试了基于油墨的方法并取得部分成功。爱荷华州立大学的NINJAS团队证明了在零重力下使用电流体动力喷墨打印导电电路图案的能力，尽管该方法仍然依赖精确的流体输送和液滴控制。格拉斯哥大学的颗粒原料系统在欧洲航天局（ESA）抛物线飞行中进行了测试，它避免了传统丝材，并探索了将电子元件集成到打印部件中，但尚未在微重力下证明导电线路的打印能力。奥本大学与NASA的方法从根源上消除了液体依赖性——无需油墨、无需溶剂、无需流体管理系统。
这项题为"微重力下电子器件的按需增材纳米制造：迈向太空制造的电子器件与功能性设备"的研究由Colton Bevel、Adib Taba、Aarsh Patel、Steven Peeples、Jennifer M. Jones、Curtis Hill和Masoud Mahjouri-Samani共同完成。
来源：中国3D打印网编译文章!
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