3D打印技術參考注意到，科技日報于4月11日刊登一則重要消息，中國航空制造技術研究院高能束流發生器實驗室在“太空3D打印”技術領域取得突破性進展。該單位在模擬微重力環境下，成功應用冷陰極電子槍實現了鈦合金精密成型，完成“太空級”3D打印。這意味著，我國未來太空金屬3D打印，已經擁有采用電子束成型的技術儲備。

關于電子束能量源

熱陰極與冷陰極

3D打印技術參考查詢發現，該實驗室關于該技術已經發表了多篇論文，涉及能量源、工藝、裝備等多方面。而科技日報的報道，有一個關鍵詞——冷陰極，具有較強的學術性，筆者查詢了多篇論文同時咨詢了西空智造暢東博博士，其指出：電子槍分為熱陰極和冷陰極，目前用于增材制造選區熔化的電子槍絕大部分均仍沿用傳統電子束熔煉/焊接領域的發射槍，即熱陰極電子槍。通過加熱燈絲發射電子，經過加速電場，形成電子束，電子束再通過相散線圈，聚焦線圈，偏轉線圈后進行選區熔化。而冷陰極電子槍的相關應用，目前有625所、中科院空間應用工程與技術中心等團隊在開展相關研究，電子束送絲熔化3D打印屬于應用之一。

來自《絲束同軸束源模式對電子束熔絲增材制造 TC11 鈦合金組織及力學性能的影響》

來自《絲束同軸束源模式對電子束熔絲增材制造 TC11 鈦合金組織及力學性能的影響》

根據該團隊2022年發表的一篇論文，中國航空制造技術研究院于2012年和2016年在某型飛機上首次實現了電子束熔絲增材制造鈦合金次承力結構和主承力構件的裝機應用。但使用的是熱陰極電子束源。論文同時指出，與熱陰極電子束源相比，冷陰極氣體放電電子束源的電子槍陰極壽命長，經過清理后可重復使用；槍體結構簡潔，在同等功率條件下，重量更輕、體積更小，做室內動槍的優勢更加明顯；可以產生圓形、環形、方形等多種束斑形貌。從這些特點看，冷陰極具有更廣闊的的發展空間，該院于2019年研制出國內首臺絲束同軸冷陰極電子束熔絲增材制造樣機。暢東博博士也表示，在太空打印方面，冷陰極電子槍更具優勢。

太空金屬3D打印

用激光還是電子束

人民日報和科技日報均刊文指出，該項技術已實現在模擬微重力環境下的電子束熔絲成型。此外，研究團隊已研制出“太空級”3D打印原理樣機，設備實現小型化、輕量化，可顯著降低發射成本。

“太空級”3D打印原理樣機內部結構（來自科技日報）

在太空金屬3D打印方面，歐空局于2024年首次實現人類首次太空金屬3D打印。由空客公司打造的金屬3D打印機，重180公斤，在國際空間站打印出了高度達9厘米、寬度為5厘米的精密零件，整個制作過程耗時約40小時，無論是用于空間站的維護、工具的即時制造，還是安裝接口及機械部件的替換，都展現出了其無可估量的價值，為未來的太空居住與探索開啟了全新的可能性。接下來，跟隨3D打印技術參考梳理人類首次在軌金屬3D打印的時間軸。

1）發射：2024年1月，歐洲航天局金屬3D打印機成功抵達國際空間站，這是第一臺安裝在空間站上的打印機。

2）安裝與調試：2024年5月，打印機被安裝在國際空間站的哥倫布艙上，隨后進行了嚴格的調試測試，包括不銹鋼沉積系統、激光器、送絲系統以及移動板協調性的檢查。調試階段成功打印了不銹鋼字母“S”，驗證了打印機的基本功能。

3）打印過程：

2024年6-8月，開始零件的打印過程。工程師團隊需要處理微重力環境下的不確定性，配套了一套精密的操作策略，通過其電信鏈路實現有效載荷的遠程控制與監控，確保每一步操作都穩定可靠。打印過程中，團隊不斷調整參數，以確保打印質量。

在項目合作伙伴AddUp的精心調整與優化下，各層級結構得以無縫銜接，構建起一個高效協同的系統。鑒于每一層均處于嚴格監控之下，能夠執行精確至兩到三分鐘的作業序列，隨后靜待來自CNES操作員的反饋?；谶@些反饋，再行啟動下一序列，以此循環往復，不僅監測打印性能，還即時進行必要的調整與優化，確保任務的圓滿完成。

4）優化與加速：

在3D打印的眾多關鍵參數中，層高的精確性是重中之重。在發送校準命令來調整下一層的高度之前，需要測量高度。而且要打印的層數超過200層。研究團隊每天都會掃描每一層打印件并收集有效載荷數據來不斷學習和適應。

到2024年7月中旬，第一批樣品的一半已經打印完成，標志著“巡航階段”的開始。在此期間，得益于地面和國際空間站上的資源優化，打印速度逐漸加快，打印時間從每天3.5小時增加到4.5小時。到2024年8月21日，宇航員成功從金屬3D打印機中取出了第一個樣品，這是該項目的一個重要里程碑。

2025年3月消息，首個在太空生產的金屬3D打印部件已返回地球進行測試。

整個過程中，打印機被安裝在一個密封的盒子里，以在極低的氧氣水平下保持適當的氣氛，防止高功率激光引發火災或金屬氧化。在打印階段，盒子內的氧氣被氮氣取代，以確保國際空間站及其機組人員的安全。

從目前的資料看出，無論激光還是電子束，兩者均適合太空打印，只不過基于現有的認知，激光太空打印追求的是高精度，而電子束太空打印追求的是高能量、高效率。然而根據資料，電子束3D打印仍然需要氦氣保護，主要目的是為了防止真空環境下電荷積累，氦氣的氦離子與電子在真空環境下發生中和反應，抵消電荷積累引起電子束束斑震蕩及放電。

從人類太空探索的角度，無論使用激光還是電子束，都是實現太空金屬3D打印的重要途徑。但囿于有限的認知和緊張的時限，筆者尚無法認知清楚兩者之間的重要差異。但無論哪種方式，對于未來太空探索而言，擺脫地球補給，實現太空“自給自足”，無疑是人類走向更深遠太空的重要方式。

毫無疑問，人類首次太空金屬3D打印的實現方式是激光送絲3D打印，至于為什么使用絲材而不是粉末，已經沒有了探討的必要。但激光和電子束誰更有優勢，仍然需要糾結。

在不久前，吳偉仁院士提及我國已經正在研制我國首款月球“打轉機”。面向深遠的太空，人類又是多么渺小，國家之間也仍然局限于利益之爭。

注：本文由3D打印技術參考創作，未經聯系授權，謝絕轉載。

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