國際空間站和我國首次太空金屬3D打印，有重要信息公布！

國際空間站首次太空金屬3D打印實驗于2024年開展，而我國首次太空金屬3D打印實驗則在今年1月由中國科學院力學研究所主導完成。3D打印技術參考注意到，這兩項實驗均基于送絲激光能量沉積技術，關于結果近期均有重要信息公布。

國際空間站

太空金屬3D打印重要信息更新

國際空間站的樣品在2025年2月左右返回地球，但相關測試時間比想象中要久很多。該項目的打印過程持續了數月，共制造完成多個樣品，包括3個拉伸和3個彎曲強度測試樣條，薄壁結構，柔性機構（失敗），以及丹麥技術大學的鏡架樣品。

太空打印的強度測試試樣

太空打印的薄壁試樣

太空打印的機械裝置（打印失敗）

丹麥技術大學的試樣

其中一份樣本送往德國的歐洲宇航員中心，兩份樣本送往歐空局的歐洲空間研究和技術中心，最后一份樣本（鏡子支架）送往丹麥技術大學進行熱性能研究。

◆先說結論

?? 不銹鋼絲材采用激光能量沉積成功實現3D打印

?? 樣品的機械性能與地面制造的性能一致，工程師預判天地制造差異不大

?? 樣品精度較差，很粗糙，須后處理，設備操作不便利，半自動，金屬絲會卡住

◆材料與設備

在材料選擇方面，國際空間站選擇的是不銹鋼絲，直徑為0.6mm。歐洲航天局（ESA）高級制造工程師Advenit Makaya指出，之所以沒有選擇鈦和鋁合金這些明星金屬，是因為即便在空間站仍要考慮氧化。3D打印設備被安裝在了空間站內部，如果采用氬氣保護，一旦出現泄漏就會給人員帶來直接威脅，而氮氣則安全的多。這就是他們選擇不銹鋼的直接原因。

在設備方面，國際空間站激光能量沉積3D打印設備的尺寸為80x70x40厘米，激光輸出功率為300w，送絲機構裝載了1kg不銹鋼絲。由于打印過程中會產生飛濺、蒸汽等，因此打印機內集成了一個過濾機構。這個過濾機構在機器打印1kg金屬后就會堵塞，因此此次搭載的金屬材料就是1公斤。

◆ 天地協同

打印機的相關配置包括發起打印的指令均在地面盡量多的完成，宇航員只需要將機器安裝到位，打印完成后取出零件并安裝新的基材，如果出現故障，宇航員只需要稍微注意一下，這就是宇航員需要做的全部事情。

地面有一個監控中心，研究人員可基于打印機上的傳感器檢查各項參數，包括樣件外形輪廓、機器內部的溫度和氧含量。Advenit Makaya指出，地面人員會檢查打印的每一層，如果發現有一層打印的“很奇怪”，他們就會調整參數，來確保下一層效果改善。另外，打印機工作時噪聲很大，空間站也限制了它每天的工作時間，只允許每天運行4小時。因此，整個項目持續了幾個月。

這些零件返回地球后進行機械強度、彎曲測試以及微觀結構分析，并與地球制造的樣本進行比較。

初步結果顯示，打印歷史與觀察到的缺陷之間存在良好相關性，機械性能與地面DED 3D打印加工的316L不銹鋼性能一致，孔隙率分布與打印策略相關聯。Advenit Makaya也表示相關成果將在2026年以論文形式公布。

微鏡下觀察到的金屬表面脊狀結構； 對樣品進行CT掃描，對樣品進行拉伸測試；樣品上噴涂了油漆斑點

該項目于2017年啟動，打印機本身的設計工作從2019年持續到2020年，隨后進行了系列測試和完善，2024年初被送往國際空間站。

國內首次太空金屬3D打印

我國首次太空金屬3D打印于2026年1月12日開展。它由中國科學院力學研究所主導，并非在我國空間站開展，而是由火箭將實驗載荷送到了距地面120公里的亞軌道，載荷艙通過傘降系統回收。

該軌道高度是正式進入太空微重力環境的分界線，微重力金屬增材制造實驗平臺在飛行器環地飛行過程中獲得了數分鐘的實驗時間，并在這一時間內成功制備出完整的金屬零部件。

微重力金屬增材制造實驗載荷

載荷總設計師、力學所研究員姜恒介紹，太空金屬3D打印的關鍵技術難度在于，微重力環境下的金屬熔凝過程存在失控風險。失重狀態使液態金屬不受重力與浮力影響，完全由表面張力、毛細力等控制，極易出現熔滴球化、斷絲、氣泡滯留等問題，對金屬成形的精度構成挑戰。

“金屬絲一熔化，它不是往下流，而是熔成一個小球，還會沿著絲往回爬，非常難以控制。這里面有微重力環境下的流體控制、熱傳導機制及冶金物理等基礎科學難題。”

此次實驗，我國科研團隊成功獲取了太空微重力環境中金屬3D打印的熔池動態特征，物料輸運、全流程閉環控制、凝固行為等過程的數據，以及太空增材制造金屬件的成形精度與力學性能等參數，為我國太空金屬增材制造技術的快速迭代積累了寶貴的實驗資料。該任務標志著我國太空金屬增材制造從‘地面研究’階段邁入‘太空工程驗證’的新階段。

雖然我國相比國際開展太空金屬3D打印的時間晚了整整兩年，但從目前的實驗進度來看，兩方目前進度相差不大。開展太空金屬3D打印的意義，首先是能夠滿足空間站在軌維修的使用需求，其次是面向已經提上日程的月球基地建設項目儲備技術。

在地球環境對金屬3D打印的使用需求就如此之廣，在外太空只會更甚，主要還是因為物資缺乏與發射成本高昂。而重力環境的差異讓與之相關的工藝、裝備、機理探索幾乎要推倒重來，因此該領域研究仍屬國際前沿，且距離實際應用還有很長的一段距離。

注：本文由3D打印技術參考創作，未經聯系授權，謝絕轉載。

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