金属3D打印手套箱）神奇的液态金属：从在太空应用到打印零件

  液态金属，是一种在室温下呈现液态的不定形金属，例如汞、铷、铯、镓等。它们柔软、可塑，同时具有较高的电导率，因此能被加工成柔性电子材料，变身为电子皮肤、可穿戴健康监测设备、软体机器人等传感器件，监测生命体征，进行人机交互；较为柔软的先天优势，使得液态金属容易被弯曲、拉伸、塑形，但作为植入器件，它们也存在稳定性差、加工困难等特点。

  在元素周期表的118个元素中，金属高达96种。在如此多的金属中，有几种零星的金属在常温下处于液态，如镓、铷、铯、汞、钫。在这5种金属中，汞最为人所知，其最典型的应用是体温计、血压计、电极、旋转镜面天文望远镜、日光灯等，但由于汞在常温下极易弥散出剧毒性蒸气，致使其制作和使用存在风险，因而在日常生活中正逐步被禁用。而铷、铯、钫具有放射性，三者与钠钾合金的化学性质一样，都很活泼，易于与水甚至冰发生剧烈反应，迅速释放热量由此产生爆炸，因而只能用在特殊场合。

  液态金属镓，虽然早在100多年前就被发现，但长期未被重视。此前镓主要以化合物形式得到应用，如氮化镓、砷化镓、磷化镓等均是经典的半导体材料，镓真正的普及化应用和研究直到近20年来才开始。

  液态金属是一种不定型、可流动的液体金属，是一系列低熔点金属以及合金材料的统称，在室温或较低的加热温度下呈液态并且兼具流动性，具有导电性强、导热率高、黏度低和液态温区广等特点。使用液态金属热管理试验装置，安装于空间站梦天实验舱航天基础试验机柜内，采用低熔点、生物安全性高且化学特性稳定的铋基金属，在空间微重力环境下开展流动散热和相变控温技术的特性研究和试验验证。

  液态金属热管理试验装置能验证金属快速熔化、电磁驱动、密封和膨胀防护等液态金属散热关键技术，获取对流换热特性、相变控温曲线等重要数据，为我国未来空间应用液态金属高效热控技术提供技术验证和数据支持。

  目前，我国已经建成了功能完善、性能国际先进的国家太空实验室研究平台，学科覆盖全面。在中国空间站舱内，包括航天基础试验机柜在内的25个科学实验机柜，与一系列舱外设施接口，能够支持空间生命科学与生物技术、空间天文与天体物理等诸多学科方向的研究与应用，每一个实验柜或舱外设施都能够说是一个综合实验室。

  液态金属热管理试验装置安装于空间站梦天实验舱航天基础试验机柜内，这个试验机柜只有一个书柜大小，但却像一个太空实验的多面手，可以一起进行多个试验项目。航天基础试验机柜高约2米，宽1米左右，设计寿命为15年。机柜最多可以容纳13个载荷，首次任务中搭载了5个技术实验项目，其中多个项目是国际首次在轨进行。航天基础试验机柜不但可以根据载荷大小，提供不同的试验空间，还可以实时监测温度、供电、数据传输等状态，来保证每个实验项目顺利进行。

  液态金属打印是一种新型但有前途的增材制造技术。该工艺的特点是，材料以线材形式送入，并在微铸造工艺中逐滴施加。液态金属打印工艺属于金属基增材制造工艺，其中通过重复应用材料逐层构建组件。与大多数基于焊接的工艺相比，液态金属打印不需要高能量光源来熔化材料，因为材料是被熔化并逐滴施加的。这些组件是通过在构造方向上应用材料并结合高精度工作台来构建的。

  利用液态金属3D打印技术，能轻松实现液滴直径在500-750微米之间的近净形状生产，施用量高达400立方厘米/小时。它生产时间短，订单率高；生产的全部过程中热负荷低；与粉末和激光工艺相比，原材料成本更低（基于线D打印技术加工铝合金，可以为航空航天、交通、能源等行业释放新的潜力。2022年，3D打印技术参考注意到，美国海军将基于液态金属3D打印的增材制造设备安装在了战舰上。

  全球多国的航天航空业都已在大范围的应用3D打印技术，我国的天问系列、长征系列、空间站等也大量应用了3D打印有关技术。比如长征五号B运载火箭的芯级捆绑支座，利用3D打印有效减重200千克，且多个性能指标显著优于同期其他工艺水平。还有比如在我国新一代载人飞船返回舱防热大底框架、长征五号运载火箭大尺寸保护板零件和级间解锁装置保护板、中国空间站的梦天舱重要结构件导轨支架等很多零件和环节，都应用了3D打印技术。

  目前，使用液态金属打印技术，可以制造密度超过98%的AlSi12组件。基于数字化建造模型，在没有支撑结构的情况下，在大约120分钟内制作出了面向应用的演示组件。

  2022年4月20日中南大学材料科学与工程学院发生一起爆燃事故，一名博士研究生受伤。而此次中南大学发生的痛心事件让我们对3D打印相关的实验安全性敲响了警钟，无论对于制粉还是3D打印工艺实验相关。2013年，美国马萨诸塞州沃本市的 Powderpart Inc. 公司发生金属粉尘爆炸，一名当时独自在工厂工作的工人被三度烧伤，现场至少有一台使用可燃金属粉末的3D打印机。除此之外，国内也出现过与金属3D打印相关的危险事件。

  3D打印的重要材料——钛和铝等均是活泼金属，这些材料可燃，因此会像粉尘一样爆炸。钛和铝的燃烧速度也非常快，并会产生极高的温度和压力，因此就需要格外小心。与粉尘相关的危害程度在很大程度上取决于相关材料的数量及其在该数量下的行为。粉尘爆炸是由悬浮在封闭空间中的颗粒快速燃烧引起的。当这些颗粒与火花、明火、过热的表面或机器放电接触时，就会发生爆炸。

  金属3D打印的从业人员要考虑所使用的集尘器或吸尘器中混合的材料，会不会引发铝热反应，是否配备了D类灭火器等等。实际上，金属3D打印的每个阶段都会产生不同的污染源（或物质）进而会造成特定的危害。金属3D打印用的金属粉末，粒径分布通常为几十微米，可被吸入肺或肺泡。对于低密度的钛、铝及其合金都是反应性金属，风险尤其大，必须受到粉尘浓度的特定限制；其他金属粉末，如钢或其他含镍合金，则被危险物质指令分类为致癌、致突变和生殖毒性材料。对粉末颗粒的长期接触和吸入会给操作人员身体健康带来一定隐患。

  不仅如此，在组件的打印过程中危险同样存在，熔化过程产生的废气除一部分会被带入过滤系统，仍可能有一部分被排出到打印系统的外置空间，从而造成室内环境的污染。随同废气的排出，一部分惰性气体如氮气尤其是氩气，也是风险的来源。设备的维护过程，如过滤系统的清洁，其中的粉尘、灰烬比金属颗粒更加细小，若处理不当，很有可能会因为成分的稳定性问题发生火灾甚至爆炸。

  基于对SLM工艺过程的整体评估，德国Bayreuth大学开发并评估了粉末防护的特定方案，其重点在于安全防护反应性材料Ti6AlV4。为减少危害而采取的保护的方法由STOP原则确定优先级顺序，实施策略要基于流程、地点以及员工保护等关键因素。

  金属粉末的处理必须格外小心，并且在可能的情况下，应在保护性气氛中进行。目前，全封闭的工艺流程正在被设备制造商所重视，以SLM Solutions为代表的金属打印机品牌商从粉末的灌装、清理甚至中途加装等所有流程均实现了全封闭操作，这种空间分割或封装最大限度的减少了粉尘的暴露和危害。在这种情况下，3D打印手套箱就成为了一种优先的设备选择。

  3D打印技术作为一项前沿性、先导性非常强的新兴技术，对传统制造业的工艺改造和新材料的广泛应用具有颠覆性的意义和作用。我们制造的3D打印手套箱（增材制造保护手套箱）针对航空航天特殊零部件的加工所需要的环境而设计的：3D打印设备一般都会采用送粉成型或铺粉成型两种，每种成型设备其需要的手套箱设计的基本要求不同，为此需要啊根据不一样的需求来设计手套箱提供较为可靠的解决方案。

  金属3D打印惰性气体保护系统是一套高性能、高品质的自动吸收水、氧分子的超级净化防护手套箱，提供一个纯化工作环境需求的密闭循环工作系统，能够完全满足特定清洁要求应用的1ppm的O2和H2O惰性的氛围环境。实现了将选择性激光溶化装置本体放置在一密封箱体内，该密闭箱体与多级粉尘手机装置和风循环装置形成闭环，氩气在该闭环内循环，系统中的气氛水含量达到小于1PPM指标，氧含量达到小于1PPM指标，实现超高纯工作气氛的环境，加工的产品可直接应用，减少再处理环节，是一套满足科研开发而设计的经济型循环净化系统。

  ●人性化专业化设计，箱体外形好看，箱体上大型门的密封性极好，开启方便简单。

  ●解3D打印手套箱送粉器送粉进气或铺粉设备镜头吹气与手套箱箱体压力控制。