AM易道深度快讯

最近我们看到了一个关于微重力环境下金属3D打印的新突破。

来自德国汉诺威莱布尼茨大学（LUH）和马格德堡奥托·冯·格里克大学的一个跨学科团队。

项目名为使用激光金属沉积（激光金属沉积LMD）在微重力下进行增材制造，由德国研究基金会资助。

LMD上太空，挑战在哪？

LMD，作为定向能量沉积（DED）技术的一种，它的核心优势在于灵活性极高。

不仅可以从无到有制造整个零件，更关键的是它能对现有零件进行修复和添加。

这意味除了简单地打印个备用件，还能直接修复空间站或飞船上某个关键金属部件的磨损或损伤。

但是，LMD的技术路径也决定了它上太空的巨大障碍：粉末处理。

在地面上，我们依靠重力让金属粉末稳定、均匀地从喷嘴中送出，进入激光焦点形成的熔池。

但在微重力环境下，一切都乱了套。

粉末会四处飘散，不仅无法形成稳定可控的材料流，还会污染整个密闭的舱内环境，甚至对宇航员和精密仪器造成威胁。

怎么让粉末在失重状态下，还能像在地球上一样听话地被输送到指定位置？

这才是LMD技术走出地球的命门。

过去很多所谓的太空打印，其实都巧妙地回避了这个问题，比如采用丝材作为原料（FDM/WAAM），因为丝材是固态的，不存在飘散问题。

而德国这个团队，就是正面硬刚了这个核心难题。

不只是零重力那么简单

为了解决这个问题，研究团队没有选择昂贵的真实太空飞行测试，而是利用了一个非常酷的大型地面研究设备：

位于汉诺威技术研究所的爱因斯坦电梯(EinsteinElevator)。

这个设备可不是个普通的电梯，它本质上是一个先进的下落塔。

通过将实验装置（在这里就是整个LMD打印系统）所在的吊舱弹射和自由落体，可以在短时间内创造出各种重力环境。

这事儿的真正厉害之处在于，他们不只模拟了失重。

整个测试覆盖了从火箭发射时那种巨大的超重力过载，到进入轨道后的微重力，再到不同行星（比如月球或火星）的低重力环境。

这意味着他们开发的这套送粉系统和激光系统，不仅仅是为了在平稳的太空轨道上静态工作，而是要确保它能扛得住上天过程中的剧烈颠簸，并且在多种引力条件下都能稳定运行。

他们在吊舱里，把整套送粉和激光系统都针对太空环境进行了改造和适配。

为零重力重新设计送粉器

传统工业中的送粉器大多依赖重力，让粉末自然下落到一个旋转盘的凹槽中，再由气流带走。

这套逻辑在太空中显然行不通。

因此，项目的核心任务之一，就是开发一种能在0g、1g乃至5g重力下都能稳定工作的全新送粉系统。

研究团队利用离散元方法（DEM）对多种创新方案进行了深入的数值模拟和虚拟验证，提出了几种有代表性的设计思路。

1. 人造重力方案是利用旋转创造离心力来模拟重力。

他们设计了一个带有叶片的锥形轮式送料器。

当它旋转时，内部的粉末会因离心力被甩向直径最大的外壁，并从那里一个开口被送出。

模拟显示原理可行，但在出口处容易发生颗粒堵塞，导致粉末流不够稳定。

2. 粉末弥散方案是先在容器内形成气粉混合的稀释分散体，再将其输送出去。

这可以通过内置的搅拌器实现，也可以通过一个活塞将粉末直接推入载气流中 。

不过，前者存在批次作业的弊端，即随着时间推移，混合物浓度会下降。

后者则对活塞的微小尺寸和极慢速的驱动系统提出了巨大的设计挑战。

3.螺杆输送方案：

模拟结果显示，螺杆输送机在两种情况下可以在零重力下工作：要么填充率非常高，要么转速非常快。

基于此，团队提出了一个相当精巧的双螺杆系统。

用一个更大、垂直放置、缓慢旋转的存储螺杆强制为一个更小、水平放置、高速旋转的计量螺杆送料。

这种设计能够实现不受重力影响的主动、精确、可调的粉末输送，通过调节计量螺杆的转速，就能精准控制输送到熔池的粉末质量流量。

项目工程师Marvin Raupert展示的模型，直观地体现了整个打印过程的设置。

粉末逸散控制技术

联合团队新的密闭控制体系来确保粉末不会飘的到处都是。

整个粉末输送系统和激光系统全部安装在一个密闭的吊舱内，并针对微重力环境进行了特殊适配。

不仅是金属，技术还可以用于月壤原位盖房子

这项研究的成功，为我们打开了一扇新的大门。

它验证了一套在极端重力变化下，依然能稳定进行金属粉末增材制造的解决方案。

而他们的野心显然不止于此。

研究团队的下一步计划，是与著汉诺威激光中心（LZH）合作，开发处理月壤的方法，并用于3D打印。

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也就是说，不再依赖从地球昂贵地运送材料，而是直接利用月球表面的土壤，将其中的矿物进行处理和提炼，作为3D打印的原材料。

就地生产工具、备件，甚至是建造月球基地的基础设施。

写在最后

过去十年，太空3D打印一直在走较为稳妥的路线，常用上头的丝材（FDM或丝材DED）工艺回避了粉末处理难题。

LMD送粉工艺的核心优势是其独有的增材-修复一体化能力。

研究解决了粉末处理的一系列（送粉、逸散）问题也同样解锁了更多太空打印的能力。

原因很简单，以月球为例，其原位资源大部分都是以粉末形态存在的。

如果能直接对月壤进行采集和再制造，人类月壤3D打印基地指日可待。