NASA太空微重力下的小型金属零件增材制造与半导体制造

| 3DScienceValley · 2024/01/25

根据3D科学谷的市场观察，NASA和ESA欧洲航天局的研究人员在空间站测试金属3D打印。空间金属3D打印、半导体制造和重返地球大气层热保护系统的测试是NASA和国际合作伙伴发起的科学研究之一，也是诺斯罗普·格鲁曼公司第20次国际空间站商业补给任务的一部分。

太空金属3D打印
© NASA

技术进步的新时代

太空3D打印是指在空间环境(微重力、真空、高低温等)下通过3D打印实现太空基地或构件的原位成形技术。太空3D打印技术通过将制造环境和应用环境统一，实现按需原位制造，解脱“地面制造-运输组装”的传统模式，大大提高了航天活动的灵活性，降低了技术成本，具有广阔的应用和发展前景。

NASA和ESA欧洲航天局的研究项目重点是太空中的3D打印，据悉，ESA（欧洲航天局）的一个项目正在测试微重力下小型金属零件的增材制造工艺，这项调查让欧洲航天局初步了解了这种打印机在太空中的表现。

另一个重点项目是微重力下的半导体制造，NASA和ESA欧洲航天局的研究人员正在研究微重力如何影响具有广泛应用的薄膜。

据悉，太空中的3D打印可以生产具有卓越表面结构的薄膜的潜力以及从能量收集到先进传感器技术的广泛应用尤其具有突破性。这代表了太空制造的重大飞跃，可能预示着技术进步的新时代，对太空探索和地面应用产生广泛影响。

虽然这个最初的试点计划旨在比较地球和太空中生产的薄膜，但最终目标是扩展到半导体领域内的各种生产领域。科研人员改进了传感器以收集更多测量数据，并改进了通信系统以传输更多数据。科研人员有机会测试美国宇航局提供的几个以前从未测试过的隔热罩。

除了这些项目之外，机器人手术技术演示也正在进行测试，以研究小型遥控机器人在手术过程中的性能。此外，科研人员正在研究在太空中培养软骨组织，以开发针对软骨退化的疗法。

这些任务表明人们对利用太空进行研究和开发的兴趣日益浓厚，这对于太空旅行和地面应用都很重要。这类项目不仅展示了微重力促进科学技术进步的潜力，还有助于长期改善地球上的生活。

半导体应用

半导体封装的一个主要高价值用例是打印3D互连，以将芯片连接到其他芯片、传统电路板，甚至直接集成到可穿戴设备等终端产品中。在这种情况下，该工艺取代了传统的丝焊，因为它具有更小的空间要求、更低的损耗（特别是在高频和毫米波中）和更高的机械可靠性。

市场上Optomec微米级的气溶胶喷射技术是由该公司成熟的气溶胶喷射精细打印解决方案与一种可实现快速即时凝固的原位固化专有技术相结合而来的。与其他高分辨率3D打印技术的不同之处在于，其他3D打印技术是在进行全面的材料沉积之后再根据图案局部固化，而气溶胶喷射技术则是进行局部材料沉积和局部固化，这使得整个过程在材料的消耗方面更加经济，同时也是该技术实现高分辨的关键。

根据3D科学谷的了解，早期使用Optomec气溶胶喷射3D打印技术的用户已经将该技术应用到智能设备和微流控领域。使用该技术可以在无需添加支撑结构的情况下使用光聚合物等材料打印出微米级的高纵横比以及拥有不规则形状的3D结构。通过将这些3D结构直接喷印在天线、传感器、半导体芯片、医疗设备或工业零部件等结构上，在一台设备上即可制造出功能性3D电子组件。这种直接的数字方法优化了制造工艺，减少了生产步骤和材料用量，因此气溶胶喷射3D微结构打印技术也是一种经济的、绿色技术。

微重力3D打印

西安交通大学李涤尘教授团队在《增材制造—面向航空航天制造的变革性技术》一文，分析了增材制造在航空航天领域应用发展的3个层面，聚焦航空发动机涡轮叶片增材制造、高性能聚醚醚酮（PEEK）及其复合材料、连续纤维增强树脂复合材料及太空3D打印主题。

根据西安交通大学李涤尘教授团队，太空制造将由实验走向应用，这将改变现有的航天器制造模式，极端环境、失重、低功耗等条件下，增材制造技术会面临许多新的挑战和机遇，太空增材制造技术有可能成为太空科技的新热点。

根据3D科学谷的市场观察，世界范围内在太空3D打印领域的聚焦各有不同，这其中，2023年，NASA太空非晶金属制造 (MSL SCA-FAMIS) 研究聚焦于在微重力下加工的块体金属玻璃 (BMG) 和钨球复合材料的微观结构。BMG也称为非晶金属，具有优异的机械性能，例如耐磨性。用钨和 BMG 形成复合材料可以创造出一种新型的高性能合金和涂层，但两者之间巨大的密度差异使得在地球重力下实现这一目标具有挑战性。这项研究可能会导致新型金属合金的开发，用于齿轮、轴承、耐磨涂层以及航天器和机器人的其他元件，支持未来的太空探索任务。

2020年，长征五号B（以下简称“长五B”）遥一运载火箭在海南文昌航天发射场将我国新一代载人飞船试验船成功送入预定轨道。在本次任务中，由中国科学院牵头负责的空间应用系统在新飞船试验船安排了在轨精细成型实验、材料摩擦行为实验、微重力测量试验等三项科学实（试）验，为未来我国空间站建设运营以及走向更遥远的深空，进行前瞻科学研究和技术验证。