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【科普中国】中国太空3D打印的样件回来了,看这成品可还行?

2020年05月22日 16:55来源:未知手机版

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以下文章来源于科学辟谣平台 ,作者张昊 科学辟谣平台
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空间站少零件了怎么办?3D打印就完了。
中国首次太空3D打印的两个样件 | 中国空间技术研究院
作者 | 杨怀超 张昊
5月5日,长征五号B火箭将中国新一代载人飞船试验船送上太空。在经历了三天的太空遨游后,5月8日,返回舱成功返回东风着陆场。除了搭载的一台中国自主研制的“复合材料空间3D打印机”,还带回了在轨打印的两个样件。
这是全球首次实现连续碳纤维增强复合材料的太空3D打印,引起一大波关注。
在轨3D打印进行中,来源:央视新闻
最近十几年,3D打印遍地开花,很多人都说它会掀起“第四次工业革命”。这么厉害的技术,到底是什么样的?这个名字很长的材料是什么?为什么一定要跑到太空中做试验呢?
专为“复杂结构”而生的3D打印技术
先说技术。3D打印本质上是一种逐层制造技术,又称增材制造技术,字面意思,就是制造过程中材料是往上加的。与之对应的是传统的减材制造技术,如车、铣、刨、磨等,材料是往下减的。
相比传统技术,3D打印能够轻而易举地制造一些具有复杂结构的模型,可极大扩展设计师的思路。比如下面这对棋子,国际象棋的王和后。左边棋子外形相对简单,用减材制造方式、拿两根圆柱用车床沿着外轮廓划一圈,就完成了。但如果这对棋子设计得更复杂一些,变成右图的样子,传统方法就比较困难了,即便能做出来,造价也非常高昂。
普通棋子(左)和3D打印棋子(右) | 作者供图
但如果采用3D打印方式,就没有那么贵了。至少能把费用控制在可接受的范围内。这是为什么呢?
技术原理决定成本范围
3D打印技术不是一种技术,而是一类技术。其历史可追溯到1960s,最早的商业化设备则由美国人Charles W. Hull 在1987年前后推出,称作 SLA-1,即立体光刻。其工序可代表整个3D打印技术的基本思路。
光刻是利用材料的感光特性,通过光照改变其物理/化学性质,将被光照和未被光照的部分分开,以达到成型效果。比如,某种材料被光照之后会变得易溶,只要把想要的部分遮住,再曝光,就可以把多余的部分洗掉。
立体光刻也是基于类似的原理,不过它是将制品的数字模型分割成很多薄层,然后从最底层开始,一层一层地加工出来,最后形成一个立体制品。
具体而言,打印设备会包含一个液体槽,里面有一种特殊液体。这种液体受到紫外线激光照射会变成固体,而没有被照射到的地方仍然保持液体状态。打印的时候,紫外线激光会按照薄层的形状进行涂抹,液体同时完成凝固。一层打印完之后,打印平台(激光照射)上升,接着固化下一层,直到所有薄层全部完成。
用SLA打印的模型,表面光滑细腻,上色后质感绝佳,几乎可以以假乱真。|作者供图
这是最早的商业化技术。其他技术也都使用类似的思路。比如,和立体光刻几乎同时发展起来的熔融沉积成型(FDM)技术和选择性激光烧结(SLS)技术。
这次飞行任务采用的就是熔融沉积成型技术。我们来看它的技术实现原理,和立体光刻可以说有异曲同工之妙。
熔融沉积成型技术是目前最常见的一种3D打印技术,看名字就知道是把某种材料加热融化,然后一点点堆起来,固化成型。
常用的熔融沉积原材料以热塑性的高分子丝材(即加工成丝状的材料)为主,这样比较方便加热。一般选用玻璃化转变温度较低(可以理解为融化温度较低)的材料,比如聚乳酸、ABS树脂等。目前也发展到复合材料、金属材料和陶瓷材料等。

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