威斯康辛大學(xué)工程師在零重力下 3D 打印電子元件，攻克太空制造新挑戰(zhàn)

導(dǎo)讀：在未來宇航員進行長途太空飛行的情況下，他們將無法像今天那樣要求地面運送替換硬件組件。在人類深入太空探索之前，工程師需要解決宇航員裝備不可避免的磨損帶來的挑戰(zhàn)。

2024年5月21日，南極熊獲悉，來自威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的研究人員在太空制造方面取得了新的突破，他們首次在“零重力”下成功 3D 打印RAM 設(shè)備單元，向替代電子元件的太空制造邁出了一步。該團隊于 2024 年 3 月在勞德代爾堡-好萊塢國際機場的拋物線試飛中進行了實驗。

△威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的研究人員首次在零重力下成功 3D 打印 RAM 設(shè)備單元，向替代電子元件的太空制造邁出了一步。照片中從左到右，Khawlah Ahmad Alharbi、Xuepeng Jiang、Renjie Nie、Hantang Qing、Rayne Wolf、Pengyu Zhu 和 Jacob Kocemba 在 G-Force One 旁邊擺姿勢，他們在這架飛機上測試了零重力 3D 打印技術(shù)。照片：威斯康星大學(xué)麥迪遜分校

美國宇航局（NASA）資助了這項由威斯康星大學(xué)工業(yè)與系統(tǒng)工程助理教授Hantangqin領(lǐng)導(dǎo)的研究，該研究旨在開發(fā)半導(dǎo)體、執(zhí)行器和傳感器等電子元件的太空制造能力。這將為在太空進行維修提供一種可行的選擇，而無需運輸替換零件。

該小組在前兩次拋物線試飛中遇到了技術(shù)故障——大約 40 分鐘的短途飛行，包括上升和潛水，模擬短暫的零重力。研究人員在第三次也是最后一次飛行前花了一周的時間，每天 12 到 15 個小時來排除故障的潛在原因。

來自威斯康星州波托西的博士生、該團隊的負責(zé)人之一雷恩·沃爾夫 (Rayne Wolf)表示這些實驗很大程度上依賴于這些實驗。

傳統(tǒng)的 3D 打印依賴于重力，即從打印機噴嘴中擠出材料，這在所謂的零重力環(huán)境中提出了重大挑戰(zhàn)。由助理教授 Hantangqin 領(lǐng)導(dǎo)的威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校團隊開發(fā)了一種替代方案：電流體動力(EHD) 打印。EHD 打印利用電力推動液體材料通過直徑僅30 微米的噴嘴（約為單根羊毛纖維的平均寬度），有效克服表面張力，否則會阻止材料流動。

△電流體動力噴射打印實驗裝置。

Hantangqin教授說：“在這種小規(guī)模下，表面張力會阻止液體從噴嘴流出，他的團隊正在與愛荷華州立大學(xué)、亞利桑那州立大學(xué)、英特爾和其他行業(yè)合作伙伴的研究人員合作。然后我們施加這種電力來打破這種表面張力。EHD 打印技術(shù)的優(yōu)勢超出了其在零重力環(huán)境中發(fā)揮作用的能力。對于傳統(tǒng) 3D 打印，噴嘴尺寸基本上決定了液滴尺寸。但是使用我們的打印系統(tǒng)，我們可以使液滴比噴嘴的尺寸小得多。只要有 2 微米的噴嘴，我們就可以制作納米級圖案。這就是它的巨大優(yōu)勢。”

該團隊最終查明了阻礙前兩次飛行測試的故障：飛機發(fā)動機的振動導(dǎo)致打印機的校準傳感器出現(xiàn)問題。他們通過重寫一些系統(tǒng)代碼來補償振動來解決這個問題，電氣和計算機工程研究生張鵬宇在零重力下編寫了代碼，解決了這個問題。

在最初的試飛過程中，團隊面臨著由飛機發(fā)動機振動引起的校準問題。他們通過重寫系統(tǒng)代碼解決了這個問題，從而在最后一次飛行中成功打印。在手動控制下，EHD 打印機使用氧化鋅（一種半導(dǎo)體墨水）生產(chǎn)了十多個，并使用聚二甲基硅氧烷（一種絕緣聚合物墨水）生產(chǎn)了更多單位。

在小組的最后一次試飛中，所有的工作都得到了回報。在 Wolf 和 Jacob Kocemba（威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校 2023 屆畢業(yè)生，目前在伊利諾伊大學(xué)繼續(xù)學(xué)習(xí)）的手動控制下，實驗室的 EHD 打印機成功生產(chǎn)了十多個單元，并使用聚二甲基硅氧烷（一種絕緣聚合物墨水）生產(chǎn)了更多單元。

臨時實驗室的飛行后分析證實了打印機在微米和納米級水平上的成功。該團隊計劃在 2024 年 8 月和 11 月進行額外的試飛，旨在將其 EHD 技術(shù)集成到行業(yè)合作伙伴的多功能工具 3D 打印機中。未來的目標包括從打印單個單元發(fā)展到完整的半導(dǎo)體設(shè)備，并最終在國際空間站上測試其技術(shù)。實現(xiàn)這些里程碑將標志著可持續(xù)和自主太空制造能力取得重大進展。