微重力研究瞄准金属增材制造缺陷

2026年9月24日，美国国家科学基金会（NSF）和国际空间站（ISS）国家实验室选定了一项新研究，要用微重力环境看金属粉末颗粒怎么熔化和混合。

这个过程，就是金属3D打印的核心。

研究由圣路易斯华盛顿大学的帕特里夏·韦森西（Patricia Weisensee）领导，目标是做出更精确的颗粒熔化模型，减少金属增材制造零件里的缺陷。

这是当天宣布的两个项目之一，在NSF和国际空间站国家实验室十多年的合作框架之下。

另一个项目，由南卡罗来纳大学的陈力（Chen Li）领导，研究用于电子冷却和热控制的两相流沸腾。

两个项目都关注影响先进制造、能源系统和医疗健康技术的流体输运现象。

在金属3D打印里，微小的粉末颗粒必须完全熔化并混合，才能做出性能一致、均匀强韧的材料。

要是颗粒没完全熔化，就会形成缺陷，削弱最终零件的强度。

所以，改进工艺的关键，就是精确理解这些颗粒在液态金属里怎么熔化、怎么扩散。

为什么这么难？

重力让这个过程很难观测。

地球上，浮力驱动的流动把其他力的影响盖住了，尤其是表面张力。

在单个粉末颗粒和熔池那么小的尺度上，表面张力特别重要。

韦森西的项目名称是「超越浮力，非重力输运现象对小颗粒熔化动力学的作用」。

它要用空间站的微重力环境，把浮力驱动的流动从研究画面里排除掉。

隔离这些效应以后，团队就能测出非重力力怎么支配熔化和混合，然后拿这些数据优化预测模型。

对金属增材制造来说，更精确的模型能帮助开发工艺参数，也能解释那些查不出原因的缺陷从哪来。

而且，这研究不只对3D打印有用，还涉及颗粒在液体里溶解的各种工艺，比如药物递送和微塑料回收。

第二个项目解决的是热量移除问题。

很多冷却系统，包括电子设备、制冷和航天器热控制用的，都靠流动沸腾。

液体在通道里流动时吸收热量，一部分变成蒸汽，这就是流动沸腾。

这里有个有趣的现象，液体和气体很少以相同的速度运动，蒸汽气泡通常跑得更快。

这个速度差异叫滑移比（slip ratio），直接影响热量移除的效率。

陈力的项目名称是「微重力两相流中滑移比的实验研究」，将在空间站观察液体和气泡在没有强重力影响时的行为。

得出的模型会帮工程师设计更高效的传热和冷却系统，在太空和地球上都能用。

这个工作跟热管理关系很紧，通道设计对性能影响很大。

现在增材制造越来越多用来做紧凑型换热器和冷板。

从合作启动到现在，NSF已经在空间站国家实验室资助了快100个项目，涉及生物技术、流体动力学、跟安全和野火有关的燃烧学，还有其他输运现象。

这些工作产出了350多篇同行评审的论文。

NSF工程学理事会副主任威廉·奥尔布里希特（William Olbricht）说，这个合作让美国各地的研究者和学生能用上独特的实验设施，去探索那些可能催生新技术的基础问题。

空间站国家实验室的首席科学家迈克尔·罗伯茨（Michael Roberts）把基础科学称作未来创新的基石，还说低地球轨道的条件能做到在地球上很难甚至根本做不到的发现。

这个NSF资助的项目瞄准了金属增材制造里的一个基础空白。

工程师仍然缺少关于单个粉末颗粒怎么熔化和混合的精确模型，很多缺陷就是从这儿开始的。

地球上的浮力流在这个尺度上把表面张力都掩盖了。

通过在空间站做实验，韦森西的团队可以把这些力隔离开，再把更干净的数据喂给开发工艺参数的模型。

和大多数微重力3D打印工作不一样，目标不是在轨道上制造东西，而是让地面上的打印质量更好。

中国也在用微重力拿熔化数据。

今年1月，中国科学院力学研究所的研究人员，用力鸿一号Y1（Lihong-1 Y1）飞行器，在微重力条件下做了一次亚轨道金属3D打印试验。

这次试验针对的是微重力特有的挑战，比如材料输送、成形和闭环控制。

之后，团队分析了熔池行为、凝固过程，还有打印零件的尺寸和力学性能。

这正好是NSF研究核心关注的熔化动力学问题。

欧洲在做重力和微重力的直接对比。

第一个在太空做的金属3D打印零件已经送回欧洲空间局（ESA）测试。

欧洲空间研究与技术中心（ESTEC）材料和电气元件实验室的研究人员，拿它跟地球上打印的对照件比较，想看看微重力怎么影响这个工艺。

这台打印机是空客防务与航天公司和增材制造设备商AddUp，按ESA合同开发的，从2024年年中开始在空间站运行。

这些努力都是利用微重力看重力隐藏起来的东西。

韦森西的项目把这个视角转回地球本身，想解释金属零件为什么会失效。