一種面向空間增材制造的微重力環境地面模擬試驗方法

摘 要：空間增材制造能夠將產品全部或部分脫離傳統地面制造模式，實現在軌制造或原位制造大型構件。然而，高真空、微重力等復雜特殊的環境使得空間增材制造與地面制造差異很大。為了確保空間增材制造設備的可用性和可靠性，需要在地面環境條件下對微重力環境進行有效模擬。為此，設計一種微重力場的增材制造地面環境模擬試驗裝置，并開展微重力環境試驗研究，對空間增材制造成形工藝過程進行實際模擬與驗證。

關鍵詞：空間增材制造;微重力環境;試驗裝置;地面制造模式;成形工藝

中圖分類號：TH162 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）34-0018-04

Abstract： Space additive manufacturing can completely or partially separate products from traditional ground manufacturing models and realize on-orbit manufacturing or in-situ manufacturing of large components. However， complex and special environments such as high vacuum and microgravity make space additive manufacturing very different from ground manufacturing. In order to ensure the availability and reliability of space additive manufacturing equipment， it is necessary to effectively simulate the microgravity environment under ground environmental conditions. Therefore， a microgravity field additive manufacturing ground environment simulation test device was designed， and experimental research on microgravity environment was carried out， so as to realize the simulation and verification of the space additive manufacturing forming process.

Keywords： space additive manufacturing; microgravity environment; test device; ground manufacturing model; forming process

隨著航空航天技術的不斷發展，美國、俄羅斯及歐洲軍事強國越來越認識到空間應用的重要性，正投入大量的科研經費和人力資源來拓展空間能力，大型化、高頻次、可快速定制化修補等特點越來越顯現出來。發射時運載器整流罩尺寸和復雜嚴苛的力學環境，嚴重制約了大型化、靈活性、可快速維護航天裝備及飛行器等航天器的發展[1]。而增材制造技術就很好地克服了這些制約問題，能夠將產品全部或部分脫離傳統地面制造模式，實現空間或原位制造大型構件。

空間增材制造的意義在于，其可以讓太空技術發展得更快、更有效，使太空探索變得更加容易。通過空間增材制造，可以減少太空任務中的飛行時間，減少太空任務的成本，比如可以在太空中制造必要的零部件和材料，從而減少從地球運輸物資，這可以大大降低太空任務的成本。空間增材制造減少太空任務的飛行時間可以大大提高太空任務的安全性，從而減少太空任務中的風險。此外，空間增材制造技術還可以幫助太空探索者在太空中修復和重建失效的設備，從而更好地利用太空資源。

由于空間環境的特殊性，使得空間增材制造技術與地面制造差異很大，對增材制造設備、工藝、材料等要求也不盡相同。為確保空間增材制造工藝可行性、設備工作可靠性，需要對其進行地面試驗驗證。如何在地面環境條件下對空間增材制造成形涉及的環境條件，特別是對微重力環境進行有效模擬與驗證，是對空間增材制造技術進行有效評估的關鍵。

1 國內外現狀

對于微重力環境的地面模擬方法，目前各國大體上可分為3類：運動法、力平衡法和效應試驗[2-3]。

1.1 運動法

運動法是讓試驗設備按照一定的規律運動，使其重力抵消慣性力或離心力，模擬微重力狀態，滿足試驗要求。目前主流的運動法包括落塔法、拋物飛行法和探空火箭法等方式。典型案例有：美國航空航天局（NASA）在1966年建造了世界上第一座落塔，我國中科院于2000年建成了超百米微重力落塔;美、俄、法、日等國具備專門開展科學研究的失重飛機;美國于1945年秋研制成功世界第一枚專門用于高空大氣探測的火箭，中國于1958年正式研制了探空火箭[4]。

1.2 力平衡法

力平衡法是通過在試驗設備上施加外力來抵消掉其重力，進行微重力模擬，目前常見的方法有液浮法、氣浮法、吊掛法及連桿彈簧靜平衡等方法。典型案例有：美國早期開發了用于宇航員訓練的水浮試驗系統;加拿大研制了NGC機械臂地面微重力氣浮試驗系統;中國空間機械臂地面微重力氣浮試驗系統;日本富士通實驗室、中國航天科技集團公司第五研究院相繼研制了懸吊微重力模擬系統[5]。

1.3 效應試驗

增材制造越來越多地應用在航天產品中，但是不管是力平衡法還是運動法都不適用于增材制造的微重力環境試驗。但可通過在不同狀態下打印同一樣件，開展增材制造成形工藝微重力影響的效應地面試驗，即通過推壓擠出方向上重力變化引起的效應（試驗裝置、打印件都處于重力作用的狀態下，而不是失重狀態）分析重力對擠出的影響。

重力改變對增材制造技術影響的研究工作：NASA馬歇爾航天飛行中心于1999年進行了模擬微重力環境中的效應試驗，將一臺商用FDM單元自由懸吊在旋轉系統的一邊，做了第一次試驗，并成功制作了零件[6];北京衛星制造廠有限公司進行了變重力成形試驗研究，采用調整增材制造設備擺放角度營造不同的重力環境，間接分析微重力環境對成形過程的影響;航天恒星科技有限公司設計了微重力試驗平臺并開展了微重力電子元件增材制造設備的研究[7]。

2 試驗方法研究

2.1 重力的影響

受零重力影響，以粉末為成形材料的金屬/非金屬增材制造技術如激光選區熔化（Selective Laser Melting，SLM）、激光熔覆沉積（Laser Engineered Net Shaping，LENS）、激光選區燒結（Selective Laser sintering，SLS）等難以適用于在軌增材制造。以絲材為成形材料的金屬增材制造技術EBF3以及非金屬增材制造技術FDM因其真空環境可成形性及良好適用性成為空間增材制造研究熱門，如圖1所示。

空間零重力、高低溫交變環境直接導致成形過程中聚合物及其復合材料層間結合機理、金屬材料熔滴過渡行為與地面環境差異巨大，嚴重影響成形性能。如零重力使熔滴無法自由過渡，堆積層間結合大幅減弱。高低溫交變使材料凝固行為及組織轉變發生復雜變化，成形件內應力及性能分布不均。高真空使材料冷卻速度急劇下降，熱積累嚴重，上述問題輕則導致所成形金屬/非金屬構件缺陷增加、性能下降、變形嚴重，重則導致無法順利成形。

地球表面為1G重力環境，而太空處于真空狀態，微重力的值通常為地面重力的萬分之一，只有10-4G。空間環境的微重力條件下，流體中的浮力對流、重力沉降、液體壓力梯度等現象基本消失，導致流體形態和物理/化學過程等發生顯著變化，進而影響材料的加工及制備過程，如制造過程中的材料放置、粉末的流動平穩性、合金中元素的偏析和焊接的穩定性等。

重力對增材制造最顯著的影響為重力將產生所謂的靜壓力效應。在重力環境下，流體內同一重力加速度面上的流體分子有相同的加速度和速度增量，流體的特性使這種速度增量得到累加和傳遞，進而在流體內部存在靜壓強，當重力減弱到接近于零時，靜壓強將會消失。靜壓力效應對增材制造的送料、相變熔融、熔融體輸送、接觸鋪展和固化粘接凝固等階段均會產生影響。特別在固化粘接凝固階段，靜壓力效應將顯著影響材料的固化沉積過程。隨著重力的變化或消失，材料的沉積機理將發生改變，進而在宏觀上會使所打印樣件的外形尺寸和力學性能發生改變。

2.2 試驗方法研究

地面上無法長時間模擬失重狀態，但經分析可知，重力變化對增材制造成形過程的影響主要體現在材料擠出方向上重力變化所引起的效應。將增材制造設備打印噴頭進行力學簡化并進行受力分析，如圖2所示，設沉積方向與重力方向的夾角為α，則此時重力在沉積方向的投影為gcosα。試驗中，通過變角度裝置來改變打印材料沉積方向上的重力量級，間接分析空間微重力環境對3D打印成形過程的影響。

在試驗時，在8個特征方向下進行樣件打印，如圖3所示。

在打印樣件時，為避免其他因素影響打印結果，設置相同的打印溫度、打印層高、填充率等打印參數。

對于每種材料，測試不同打印方向所得樣件的外形尺寸和力學性能。外形尺寸包括測試樣件長度、寬度和高度等參數。力學性能包括測試樣件的拉伸強度、彎曲強度和剪切強度等參數。在測試時，對每個打印方向下的參數值，需計算該方向下所有樣本該參數值的統計量。記第i個打印方向所得第j個樣本的參數測量值為xij，則第i個方向下該參數的均值i和標準差six分別為

式中：n為樣本數量，根據相關測試標準，在試驗中取n=5。

除微重力環境模擬外，高真空和高低溫交變亦是空間環境的主要特征。將試驗裝置與其他環境試驗設備結合使用可開展綜合模擬試驗，完成樣件打印。

基于樣件的拉伸、彎曲和剪切強度的統計結果，繪制不同環境下不同打印方向所得樣件三類強度的棒狀圖，基于棒狀圖結果分析其他因素單獨作用或共同作用對樣機打印所得樣件力學性能的影響。

3 地面試驗裝置方案

在地面試驗中實現對空間運動結構的重力卸載，模擬微重力狀態，使得增材制造設備具備類似于微重力狀態下的動力學特性，為此設計了一種微重力場增材制造地面環境模擬試驗裝置（圖4），包含一套自動控制機構、一套手動控制機構，如圖5所示。

自動控制機構包括步進電機、蝸輪蝸桿減速器及角度傳感器等，可通過電機驅動增材制造設備翻轉至任意角度。因工作環境特殊，選用適用于真空環境的電機。減速器采用蝸輪蝸桿傳動方式，蝸桿頭數為1，保證減速器具有自鎖功能。

手動控制機構包括搖柄、齒輪、刻度盤和限制齒輪等。通過轉動搖柄，帶動齒輪旋轉，實現翻轉裝置的角度翻轉，當翻轉到一定角度后，采用限制齒輪方式實現固定。

將增材制造設備固定在轉接盤上，通過自動控制機構或者手動控制機構，可以將增材制造設備旋轉到任意角度，并且可以根據需要進行自動或手動控制的迅速切換，實現增材制造過程中的效應試驗模擬。

按照增材制造設備重量250 kg，針對變角度成形試驗實施方法，對地面試驗裝置進行強度分析。經分析，裝置最大變形為0.049 7 mm，其變形趨勢大致描述為設備箱體整體沿重方法向下移動。對裝置結構整體進行強度分析，最大Mises應力發生在側板根部，最大值為9.10 MPa。底座框架的最大Mises應力發生四周的豎向桿上，最大應力為5.108 MPa。整體看，底座和增材設備所形成的結構在自重作用下，其整體變形量較小并且最大應力也較小，滿足使用要求。

4 結論

空間增材制造已成為未來技術發展與應用的方向。如何在地面環境條件下對空間零重力環境進行有效模擬，是對空間增材制造成形工藝開展有效評估的關鍵。

為此，本文提出一種面向空間增材制造的微重力環境地面模擬試驗方法，基于效應試驗原理采用變方位矩陣式增材制造對比驗證，剔除重力對增材制造成形的影響。本文完成了微重力場增材制造地面環境模擬試驗裝置方案設計，該裝置可以通過自動控制機構或者手動控制機構，將增材制造設備旋轉到任意角度，可實現對增材制造過程的效應試驗模擬。同時，開展了微重力環境試驗研究，對空間增材制造成形工藝過程進行實際模擬與驗證，為增材制造地面微重力環境試驗提供參考。

參考文獻：

[1] 張從發，李林，李瀟，等.國外在軌制造和裝配技術發展現狀及啟示[J].空間電子技術，2021，18（3）：97-104.

[2] 張穎一，張偉，王功，等.太空增材制造的技術需求和應用模式探索[J].中國材料進展，2017，36（Z1）：503-511.

[3] 盧秉恒，李滌塵.增材制造（3D打印）技術發展[J].機械制造與自動化，2013，42（4）：1-4.

[4] 楊杰，黎靜，吳文杰.空間大型桁架在軌增材制造技術的研究現狀與展望[J].材料導報，2021，35（3）：3159-3167.

[5] 王敏，時云，楊天豪，等.空間在軌3D打印進展及關鍵問題分析[J].航天制造技術，2021（3）：62-65，72.

[6] 賈平，李輝，孫棕檀.國外3D打印技術在航天領域的應用分析[J].國際太空，2015（4）：31-34.

[7] 李金翠，遲百宏，王丹，等.空間在軌增材制造技術進展與電子功能件的增材制造實現[J].工業技術創新，2018，5（4）：46-49.

第一作者簡介：賈磊（1985-），男，碩士，高級工程師。研究方向為機構系統設計。

*通信作者：胡玉龍（1989-），男，碩士，工程師。研究方向為機構系統設計。