太空中的线激光金属 3D 打印（零重力）

1。简介：轨道上的工厂

如果国际空间站（ISS）或未来火星基地的宇航员需要生命维持系统的特殊工具或备件，他或她不能等待三个月才能获得下一次补给火箭。解决方案是“太空制造”(ISM)：直接在太空中 3D 打印金属。

地球上存在重力。在太空（微重力/零重力）中，液态金属和粉末的行为完全不同。带有松散粉末的 PBF-LB 机器无法工作，因为粉末会在构建空间中以不受控制的方式漂浮。太空 3D 打印的未来在于线基激光金属沉积 (LMD-w / Wire-Laser-DED)。

2。零重力中的熔池物理

在地球上，液体熔池通过重力被压平到下面的组件上。没有重力（零重力），一种完全不同的力突然占据主导地位：表面张力和马兰戈尼效应。

• 液态金属在失重状态下会自动收缩成完美的球体，以最大限度地减少表面积。
• 当金属丝在太空中进行激光焊接时，熔池的体积会更大，并且“站”得更高。这使得打印薄而精确的墙壁变得更加困难，但同时允许打印巨大的悬垂结构，这些结构会立即流到地球上。

3。能量、热量和真空

太空中的 3D 打印机必须应对巨大的基础设施障碍。

• 散热：在地球上，印刷金属通过对流自行冷却（上升的暖空气带走热量）。在真空的太空中不存在对流。国际空间站外部的激光打印机只能通过热传导到打印板或通过辐射来散发热量。组件过热速度极快，这就是打印策略必须极慢或强脉冲的原因。
• 能源消耗：国际空间站的太阳能有限。 3 千瓦的激光器会消耗巨大的能量。紧凑、高效的光纤或二极管激光器至关重要。

4。愿景：不受火箭限制的建设

目前，卫星和望远镜（如詹姆斯·韦伯望远镜）的大小只能在折叠时装入火箭的尖端（整流罩）。这极大地限制了天文学。

未来，真空中的线材激光 3D 打印机可用于直接在轨道上用线材卷（紧密地安装在火箭中）自由打印巨大的天线、太阳能电池板支架或望远镜镜（由殷钢制成）。该组件高达数百米，不再需要承受火箭发射（发射载荷）的巨大振动，因为它只建在顶部。

5。结论：火星任务的关键

2024 年春季，欧空局在国际空间站安装了第一台金属 3D 打印机（由空中客车公司和克兰菲尔德大学开发），该打印机使用激光熔化不锈钢丝。这证明激光金属沉积在微重力下起作用。如果人类想要在月球和火星上建立永久基地，直接用回收废料或当地矿石打印新备件的能力是不可动摇的基础。