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中科院太空制造团队:努力探索建立“太空工厂”

http://teacher.eol.cn  来源: 中新网  作者: 中新网 2020-06-09  字体:  

  中新网北京6月8日电 (记者 孙自法)在中国,有这样一个年轻的团队,他们在地球上创新创业,目标是在太空中建立工厂,以服务空间站建设运营,助力人类未来深空探测旅程行稳致远。

  一个月前,他们的实验装置随着中国新一代载人飞船试验船进入太空开展在轨验证,成功实现立体光刻3D打印技术对金属/陶瓷复合材料进行微米级精度太空制造的零的突破。

  他们是中国科学院空间应用工程与技术中心的中科院太空制造技术重点实验室团队,一群平均年龄不到35岁的年轻人,在年轻“掌门”王功研究员带领下,无所畏惧、敢想敢做,努力追逐太空建厂的梦想。

  让立体光刻3D打印在太空成为可能

  王功近日接受记者专访时介绍说,2015年,中科院太空制造团队开始策划第一次微重力3D打印实验,为实现高精度太空制造目标,团队提出并挑战国际同行认为不可能的技术路线——利用立体光刻在太空进行3D打印。

  立体光刻3D打印原理很简单,就是用光触发材料发生光聚合反应进行固化,“有点像女生涂指甲油”,但其主要原材料是液体,而液体在微重力环境中非常容易自由飘散,该工艺也因此被普遍认为不太可能在微重力环境下使用。

  太空制造团队则坚信能把这种不可能变成可能,他们针对太空立体光刻3D打印所需特殊液态材料及其控制办法进行科研攻关,选择把纳米以及亚微米级的金属和陶瓷的粉末添加到光敏树脂溶液里面,“一遍遍制备想要的材料,这个工作我们前后做了两年”。

  经过大量试验,团队最终研发出可在太空环境中实现立体光刻3D打印的陶瓷/金属复合材料,它的特点是在没有外力施加的情况下看上去就像一个固体,即使360度旋转,也不发生任何流动,一旦有剪切力出现,其局部会发生一个流变特性变化,很容易受控铺平和光刻赋形。

  2018年,太空制造团队在失重飞机上对新材料及专门研制的立体光刻设备进行实验,“实验证明我们的思路是可行的,这也是中国团队第一次在太空制造这个领域提出并且验证了自己的想法。”王功说。

  新飞船试验在轨精细制造出8件样品

  立体光刻3D打印新材料新工艺通过失重飞机验证后,还需要在真正的太空环境中进一步验证。

  机会说来就来。2019年7月,中科院太空制造团队接到中国新一代载人飞船试验船搭载在轨精细成型实验任务。从接到任务到交付设备只有短短5个月时间,年轻团队克服重重困难,高质高效完成新飞船搭载实验装置的设计、生产、组装、测试等关键环节,特别是在疫情初期的春节期间,团队科研人员还赶往海南开展发射前设备调试工作,保障实验任务顺利实施。

  机会属于有准备的人。中科院太空制造团队为新飞船任务研制“在轨精细成型实验装置”,创新采用立体光刻3D打印技术对金属/陶瓷复合材料进行微米级精度的在轨制造,以进一步提升制造精度、扩大可用于太空制造的材料谱系。

  王功表示,团队选择立体光刻来开展太空3D打印,主要考虑在轨制造精度和兼顾更多材料体系,精度是第一目标,需要为航天员提供一次成型、可以直接使用的物品;材料方面关注扩展性和兼容性,立体光刻3D打印工艺能覆盖的材料类型非常多,包括陶瓷材料、陶瓷/金属复合材料、稀土材料,以及未来在月球上可能就地取材用到的月壤材料。

  这次新飞船在轨运行的科学实验任务中,“在轨精细成型实验装置”通过立体光刻3D打印,成功精细制造出微缩版的国旗、中科院院徽、中国载人航天工程标识、三维支架等8件样品。

  王功指出,新飞船搭载在轨实验,实际上相当于太空制造团队的一次总结汇报和实际在轨验证,“它不是在半年内的突发奇想,而是5年来研究攻关成果的体现”。

  为中国空间站提供更好太空制造服务

  王功强调,包括立体光刻在内的太空3D打印,只是太空制造的一个工艺路线,未来的制造方式还有很多种。其团队同步也在研发其他太空制造工艺路线,每一种制造工艺都有其优势和局限性,这取决于未来航天任务的需求。这次太空立体光刻3D打印在新飞船任务中的成功验证,“对团队来说,意味着新的开始。”

  他透露,针对未来航天应用任务,太空制造团队下一步的计划,一是进一步完善此次在轨成功制造的立体光刻3D打印工艺;二是中国空间站未来两三年即将建成,团队将研发一些针对性技术,希望为空间站建设运营提供更好的在轨制造服务。

  同时,这次经太空实证成功的立体光刻3D打印工艺,具有功耗低、设备轻、精度高等技术优势,着眼于中国航天未来载人探月、登月等长远发展规划布局的任务需求,“我们团队也希望尽一份自己力量”。

  王功还特别指出,虽然太空制造的目标是服务太空活动,但其应用堪称“顶天立地”,服务地面需求方面,太空制造团队已面向医疗、能源、海洋等领域进行很多前期应用开发,后续会结合国民经济建设需求推广应用,创造更多社会效益和经济价值。

  “太空制造的根本目的是提升人类在地外的活动和生存能力。”王功认为,太空制造未来发展可分为“小型零部件制造”“大型空间装置制造及在轨组装”“探测月球、火星等地外深空环境中更综合的制造活动”三个阶段,“我们现在还处于第一阶段,大概只解锁了这个阶段10%的工作,还有大量的工作需要我们去做”。

  他表示,太空制造才刚刚开始,“我们的下一代,也许他们真的能够实现到太空中去建工厂的想法”。(完)

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