编者：中喷网 墨宸
奥本大学和美国宇航局 马歇尔太空飞行中心的研究人员证明，无需液态油墨，即可在微重力环境下打印导电金属结构。他们使用了一种紧凑的独立系统，该系统能够按需生成、沉积和烧结金属纳米颗粒。这项发表在《npj先进制造》杂志上的研究成果，展示了为期两天的抛物线飞行实验的结果，标志着在长期太空任务中实现按需电子器件制造迈出了重要一步。
Dry-ANM 微重力 打印活动。图片来自 Colton Bevel 等人，《npj 先进 制造》
一种干燥、无墨的方法
这项研究的核心技术是奥本大学开发的干式增材纳米制造（Dry ANM）平台。该系统不依赖预制墨水或粉末，而是利用激光烧蚀将固体银或铜靶材汽化，在微型腔室内将产生的蒸汽冷凝成纳米颗粒，并通过氩气载气将其输送到基材上，在那里，第二束激光实时烧结这些纳米颗粒。该打印机边长约为610毫米，将颗粒生成、沉积和烧结集成在一个封闭单元中——这种设计限制源于航天器上有限的空间。
该系统此前已在地球上使用过氧化锌、氧化铟锡和介电氧化物，以及银和铜。研究团队还指出，理论上固体靶材可以从回收的航天硬件中获取；根据NASA的解体模型，银和铜等高密度金属可能占太空碎片材料密度的10%。
五十条抛物线，两种金属，结果喜忧参半
这项飞行实验是在堪萨斯州萨利纳市Zero-G公司运营的一架改装波音727飞机上进行的。在两天的时间里，飞机进行了50次抛物线机动飞行，每次飞行大约持续25秒的微重力环境。研究人员在这些飞行间隙中打印了银和铜的痕迹——包括直线、5G天线图案、叉指电极和螺旋线——并将结果与??事先使用相同参数制备的地面对照样本进行了比较。
银在微重力条件下表现出色。降低的舱内压力（75 kPa）和无重力环境增加了颗粒向基底的流动，从而使印刷线条加粗，促进了颗粒更紧密的堆积，并加快了颗粒间颈缩的形成。飞行中印刷的五道银线平均电阻率为 13.8 μΩ·cm，而地面印刷的平均电阻率为 26.5 μΩ·cm，降低了 49%。扫描电子显微镜 (SEM) 证实，微重力条件下的样品具有更致密的微观结构和更大的平均颗粒接触面积。 天文学
铜的情况则有所不同。同样的粒子通量升高导致了局部过熔：在微重力环境下，横截面积大约增加了七倍，但电阻并未成比例降低。在飞行过程中，铜的电阻率从地面的 41.3 μΩ·cm 上升到 8 到 14 次飞行范围内的 160.8 μΩ·cm。作者认为这是由于铜的熔点较低且氧化倾向较高，这使得该材料对额外的热负荷更为敏感。飞行途中将激光能量密度降低 1% 不足以阻止扫描电镜成像中观察到的熔池不连续性。作者指出，在未来的实验中降低铜的激光功率密度应该可以解决过熔问题。
有效载荷设计与分析，包括打印机系统布局、已安装有效载荷、操作员人体工程学以及FEMAP模型。图片来自Colton Bevel等人，《npj先进制造》。
为什么在太空 印刷电子产品仍然困难重重
大多数为太空开发的电子打印方法都依赖于溶剂型油墨，而这种依赖性在微重力环境下会造成一系列问题。在失重环境下，液滴的行为会发生变化，难以引导沉积，喷嘴更容易堵塞，而且诸如清洗或??将打印件与液态树脂分离等后处理步骤也变得难以实施。尽管增材制造技术在太空结构件和聚合物部件的制造方面取得了显著进展，但功能性电子器件——例如导电线路、传感器和天线——仍然难以实现按需在轨制造。
多个研究团队已在抛物线飞行中测试了基于墨水的打印方法，并取得了一定的成功。爱荷华州立大学的NINJAS团队演示了在零重力环境下使用电液动力喷墨打印技术打印导电电路图案，但该方法仍然依赖于精确的流体输送和液滴控制。格拉斯哥大学的颗粒状原料系统在欧洲航天局（ESA）的抛物线飞行中进行了测试，该系统避免了使用传统的长丝，并探索了将电子元件集成到打印组件中的可能性，但尚未在微重力环境下演示导电线路的打印。奥本大学与NASA合作开发的方法从源头上消除了对液体的依赖——无需墨水、溶剂或流体管理系统。
该研究题为“微重力环境下电子产品的按需增材纳米制造：迈向太空电子产品和功能器件的制造”，由 Colton Bevel、Adib Taba、Aarsh Patel、Steven Peeples、Jennifer M. Jones、Curtis Hill 和 Masoud Mahjouri-Samani 共同完成。 电子电气
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