国家自然科学基金委工程与材料科学部
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科学基金资助前瞻探索先行,助力我国首次太空3D打印实验成功

2020年5月,我国长征五号B运载火箭成功将搭载的新一代载人飞船试验船送入预定轨道,并按预定计划返回地面,实现了空间站阶段飞行任务的首战告捷。在此次载人飞船上搭载了一件完全由我国科研团队自主研发的新型装备——“连续纤维增强复合材料太空3D打印装备”(图1),是我国首次太空3D打印实验,也是国际上首次在太空中开展连续纤维复合材料的3D打印实验。在国家自然科学基金面上项目“高性能连续纤维增强热塑性复合材料极端环境3D打印及其太空应用探索”(批准号:51575430)和载人航天预研项目的资助下,西安交通大学卢秉恒院士、李涤尘教授、田小永教授团队开展了连续纤维增强复合材料3D打印原创性研究和太空舱外极端环境打印的前瞻性探索,开发了太空3D打印原理样机,为此次太空3D打印实验提供了重要支撑。 连续纤维增强复合材料3D打印技术以纤维束与热塑性聚合物为原材料,采用团队自主研发的打印头将二者浸渍与熔融沉积,实现了连续纤维增强复合材料制备与成形一体化;同时,研究团队还创新提出了3D打印复合材料回收再制造工艺方法,为空间材料循环利用提供了一种新策略。团队与航天科技集团529厂开展深入合作,克服了太空打印机的质量和供能制约、环境条件制约和远程控制等难题,开发了连续纤维增强复合材料3D打印原理样机(图2),在此基础上,529厂工程团队研发了高可靠性工程样机,实现了设备的远程操控和实时监测。与国际上最先实施太空舱内纯树脂材料3D打印的美国方案相比,此次试验采用了更加符合航天器使用需求的碳纤维复合材料3D打印技术,完成了装备在失重、宽工艺范围和百瓦功率的制造试验,并首次实现超远程无人值守自动工作。此次试验的成功在我国增材制造领域具有里程碑意义,标志着我国已经在高性能增材制造装备的技术原理创新、极端环境工艺和无人值守工作等方面都走在了国际前列。 据李涤尘教授和田小永教授介绍,国家自然科学基金对该项技术起到了基础助推作用。正是在基金项目中提出了太空舱外极端环境3D打印技术的前瞻性和原创性技术原理,才有后来与航天529厂深入合作,最终实现我国首次太空3D打印试验成功。据此,李涤尘教授认为,一是要坚持基础研究和自主创新,重视技术的原创性;二是将原创技术与国家重大工程结合,快速实现工程应用。通过创新和应用结合,使得科技创新快速转化为支撑国家发展的能力。

1 我国载人飞行试验船上连续纤维增强复合材料太空3D打印试验(央视新闻)

  

2 西安交通大学研发的连续纤维增强复合材料太空3D打印地面验证原理样机


(西安交通大学李涤尘、田小永供稿)

 

 

 
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