【解析】空間3D打印技術(shù)現(xiàn)狀與前景

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，探索深空、建設(shè)地外星 體基地乃至移民等逐漸提上研究日程，涉及實(shí)現(xiàn) 長期在軌居留的物資和生命保障、空間應(yīng)用設(shè)施 (衛(wèi)星）的建造、太陽系內(nèi)星球探索基地建設(shè)和運(yùn) 行，很大程度依賴于如何實(shí)現(xiàn)高效、可靠、低成本 的“空間制造”，從而克服現(xiàn)有火箭運(yùn)載方式在載重、體積、成本上對空間探索活動的限制，以獲得 深空探索所需的運(yùn)載平臺、工具與裝備�？臻g制造可直接利用太陽能、原材料等空間 資源，實(shí)現(xiàn)自我維持；同時(shí)，空間微重力環(huán)境使得 原位制造、組裝超大尺寸構(gòu)件成為可能。

3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)減材或等材制造相比,3D打印技術(shù)消除了加工過程對中間模具的需求，能夠進(jìn)行快速需求響應(yīng)，具有單件小批量定制 化快速制造的優(yōu)勢，較適合空間制造需求。目前，我國正在推進(jìn)載人航天與空間站建設(shè)、 月球探測等計(jì)劃，具備“空間制造”能力至關(guān) 重要，實(shí)現(xiàn)大尺寸功能構(gòu)件的空間制造、月球資源 利用與原位制造，對我國空間探索具有十分重要 的推動作用與戰(zhàn)略意義。根據(jù)空間探索對增材制 造技術(shù)的不同需求，空間增材制造技術(shù)的應(yīng)用環(huán) 境可以劃分為空間艙內(nèi)環(huán)境、在軌原位環(huán)境、星球 基地環(huán)境等三種環(huán)境約束條件。本文將圍繞這三 種環(huán)境約束條件，分別對艙內(nèi)增材制造、在軌原位 增材建造、月球現(xiàn)場增材制造等三個(gè)方面國內(nèi)外 的前沿探索進(jìn)行綜述，進(jìn)而對所面臨的關(guān)鍵問題 進(jìn)行分析與討論。

2 艙內(nèi)增材制造
2.1 微重力電子束熔絲沉積
NASA蘭利研究中心圍繞金屬零件的空間 3D打印開展了研究，開發(fā)了一套適用于空間飛 行的輕型電子束熔絲沉積成形設(shè)備（EBF3 ) ，如圖 1 所示。 該輕型設(shè)備采用900 mm直徑鋁合金成型腔，腔 體壓力可以達(dá)到1〇4 Pa，利用3 〜5 kW小型電子 束槍作為能量源，沉積平臺可以在300 x 300 x 150 mm空間移動，以直徑0. 8  mm鋁合金2319 (A12319)絲材作為原材料進(jìn)行沉積。研究人員 在 NASA的C-9微重力研究飛機(jī)上開展了拋物線 飛行試驗(yàn)，研究微重力環(huán)境對電子束熔絲沉積工 藝及零件性能的影響。研究對比了 0g、 1g 、2 g條 件下，電子束熔絲沉積成形零件的微觀結(jié)構(gòu)、尺寸 精度之間的關(guān)系，如圖2.  a所示，并優(yōu)化了工藝參 數(shù)，最終通過兩次飛行計(jì)劃獲得了總高為30 mm 的圓柱體薄壁零件，如圖2. b 所 示 ，驗(yàn)證了 0g•條 件下進(jìn)行電子束熔絲沉積工藝的可行性。

2.  2 微重力熔融沉積
NASA馬歇爾飛行中心從1993年開始關(guān)注 高分子材料熔融沉積制造工藝的空間適用性，并 對石蠟、尼龍、 ABS、（ PPSF)、 PC 以及 Ultem 9085 等一系列高分子材料開展了空間環(huán)境及毒性水平 研究，于 1999年選用ABS和 Ultem 9085在 KC- 135飛機(jī)上開展了拋物線飛行試驗(yàn)，完成了 1 h 20 min的無重力試驗(yàn)，初步驗(yàn)證了微重力熔融沉

2014 年 11 月 25 日，NASA 與 Made In Space 公司合作實(shí)現(xiàn)了全球首次空間3D 打印，在國際 空間站的微重力科學(xué)手套箱（ MSG)中成功打印
了印有“   MADEINSPACE/NASA ”字樣的銘牌（圖 3. a)，并在國際空間站制造了約2 0個(gè)結(jié)構(gòu)樣件， 這些結(jié)構(gòu)樣件被分成材料性能測試、微重力環(huán)境 下的成形性能測試、結(jié)構(gòu)工具的功能測試共三類 (圖3.  b)，將用于和地面3D打印樣件進(jìn)行全面對 比分析，研究空間環(huán)境對3D 打印工藝及零件性 能的影響規(guī)律。在歐洲，由歐洲宇航局授權(quán)意 大利Altran公司研制的ESA第一臺空間3D打印機(jī)POP3D(  Portable On-Board Printer)也已經(jīng)完成 樣機(jī)的開發(fā)工作，在 2015年被送往國際空間站。 POP3D打印機(jī)在運(yùn)行時(shí)需要的電量非常小，其質(zhì) 量大約為5. 5 kg，使用的原材料是可生物降解的 PLA 線材。

2.  3 面向空間應(yīng)用環(huán)境的高性能復(fù)合材料
如2.  2 小節(jié)所述，目前在軌試驗(yàn)以工程塑料 如 ABS、PLA等作為原材料，采用熔融沉積工藝進(jìn)行塑料零件的制造，很難實(shí)現(xiàn)高性能零件的制造。
為了克服該工藝瓶頸，實(shí)現(xiàn)高性能材料功能零件 的空間快速制造，西安交通大學(xué)提出了連續(xù)纖維 增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印新工藝方法，初步完成
了復(fù)合材料3D 打印噴頭的試制，搭建了實(shí)驗(yàn)平 臺，如圖4.  a所示，驗(yàn)證了連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù) 合材料3D 打印機(jī)理的可行性，工作過程及打印
樣件如圖4.  b所示;研究了 3D 打印10 wt% CF/ ABS復(fù)合材料樣件的力學(xué)性能，測試結(jié)果表明其 平均抗彎強(qiáng)度達(dá)到127 MPa，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)ABS零
件，略低于同類傳統(tǒng)復(fù)合材料約140 MPa;抗拉強(qiáng) 度比熔融沉積3D 打印ABS樣件提高了 6 倍，是 注塑成形ABS樣件的3 倍，但仍低于傳統(tǒng)CF/
ABS樣件，纖維拔出、斷裂是3D 打印復(fù)合材料的 抗拉破壞形式，如圖5. a所示;初步驗(yàn)證了 3D 打 印復(fù)合材料工藝可行性，證明了纖維增強(qiáng)效果；同 時(shí)，也發(fā)現(xiàn)存在纖維束/基體熔融浸漬不充分、剝 離等關(guān)鍵問題有待解決，如圖5.  b所示。

2 . 4 空間廢棄物利用再制造工藝
為了滿足空間廢棄材料回收循環(huán)利用的需 求，實(shí)現(xiàn)空間材料利用的最大化，美國的MadelnS- pace公司正在研發(fā)原材料回收循環(huán)再利用裝置 ，用于將使用完畢或損 壞廢棄的零件材料進(jìn)行回收并制成絲材，以便再 次用于空間在軌3D打印。針對2. 3 中所制造的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，由于其3D 打印 工藝過程是按照一定的打印路徑采用逐層累加的 方式進(jìn)行打印的，復(fù)合材料中的纖維是按照連續(xù) 有序的方式進(jìn)行排列的，基于該工藝原理，西安交 通大學(xué)初步探索了 CF/PLA零件的纖維回收再制 造技術(shù)。

如圖6 ( a)所示，該技術(shù)采用熱風(fēng)槍非接 觸式加熱熔融的方式沿著逆打印路徑，將連續(xù)纖 維從工件中一層一層抽離出來，通過模具重新成 型為復(fù)合材料絲材，如圖6(b)所示，并再次用于 連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制件的3D 打印制造，如 圖6 (c)所示，可以很好地實(shí)現(xiàn)連續(xù)纖維的回收與 復(fù)合材料再制造，最大化連續(xù)纖維的使用效率，同 時(shí)降低對環(huán)境的二次污染。高性能復(fù)合材料的回 收再制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)廢棄物的零排放回收再制造， 突破空間環(huán)境資源缺乏的瓶頸，十分重要。初步 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用回收后的復(fù)合材料預(yù)浸絲作 為原材料進(jìn)行再制造，獲得零件的力學(xué)性能比首 次打印件提高了約2 5 % ，熱循環(huán)過程導(dǎo)致的基體 材料老化現(xiàn)象仍在研究過程中。

3 在軌原位增材建造
3 . 1 空間環(huán)境原位3D打印
目前大型航天器結(jié)構(gòu)件均采用可展開結(jié)構(gòu)， 先在地面上建造完成，折疊放入運(yùn)載火箭保護(hù)罩， 入軌后展開，結(jié)構(gòu)尺寸受到運(yùn)載火箭保護(hù)罩體積
與有效載荷的限制，且耗資巨大。2013年，NASA 選定美國Tethers Unlimited公司的SpiderFab技術(shù) 做為外空間航天器大型結(jié)構(gòu)的在軌制造解決方 案 ™ ，該公司提出一種以熱塑性纖維預(yù)浸帶或復(fù) 合纖維束為原材料，進(jìn)行熔融擠出復(fù)合材料管材 的工藝，在空間進(jìn)行復(fù)合材料管材擠出成形，并采 用蜘蛛機(jī)器人（ SpiderFab )進(jìn)行組裝焊接的組合工藝，進(jìn)行大型桁架結(jié)構(gòu)的制造，如 圖 7 所示。 SpiderFab技術(shù)使飛船能夠在軌道上使用“  Trusse- lat〇 r™ ”3D打印和機(jī)器人技術(shù)，在空間建造和組 裝大型結(jié)構(gòu)，例如天線、太陽能電池板、花朵型遮 星板、傳感器桅桿、軌道側(cè)支索等。

3 . 2 面向空間的多用途柔性3D打印系統(tǒng)
西安交通大學(xué)開展了多自由度3D打印技術(shù) 的研究，設(shè)計(jì)了 3D 打印工具箱模塊，提出將該模 塊作為艙外機(jī)械手的工具箱配件，實(shí)現(xiàn)艙外空間 3D打印功能。目前，已經(jīng)于地面上組裝了 3D 打 印工具箱模塊，并用手持的方式模擬了機(jī)械手的 抓取、打印等動作，初步驗(yàn)證研究的可行性。在此
基礎(chǔ)上，搭建了多自由度3D打印原理樣機(jī)，如圖 8所示，可實(shí)現(xiàn)空間區(qū)域內(nèi)的六自由度3D打印。 同時(shí)，根據(jù)空間復(fù)雜環(huán)境，初步制定了面向空間極 端環(huán)境的3D打印策略，并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 月球原位3D 打印
在美國重返月球計(jì)劃（星座計(jì)劃）支持下， NASA馬歇爾空間飛行中心圍繞空間原位制造和 修復(fù)（ In-Situ Fabrication and Repair，ISFR)[12]以
及空間原位資源利用（ In-Situ Resource Utilization， ISRU)開展了系統(tǒng)研究。 ISFR/ ISRU的研究主 要圍繞空間制造技術(shù)評估、空間資源利用可行性 分析、地面驗(yàn)證試驗(yàn)等開展了系統(tǒng)研究，并針對電子束熔化 （ Electron  Beam  Melting， EBM  )技 術(shù)、混凝土擠出( Concrete Extrusion System ) 工藝、月壤資源利用等增材制造工藝與材 料方面開展了系統(tǒng)研究。

4 . 1 月壤高能束選區(qū)燒結(jié)
NASA馬歇爾空間飛行中心開展的月壤電子束選區(qū)燒結(jié)工藝可行性研究發(fā)現(xiàn)，月壤礦物組成 中包含了大量鋁、鈦、鐵等元素，月壤選區(qū)燒結(jié)的最大優(yōu)勢是可以直接使用月球表面原材料進(jìn)行 3D打印制造，但所面臨的問題是:如何優(yōu)化工藝， 獲取足夠強(qiáng)度的零件結(jié)構(gòu)，避免如傳統(tǒng)陶瓷燒結(jié) 所同樣面臨的材料脆性問題(如圖9.  a所示，可觀 察到大量玻璃態(tài)物質(zhì)析出）。為了避免該問題， NASA研究人員采用鋁粉作為粘結(jié)劑與模擬月壤混合進(jìn)行了電子束選區(qū)燒結(jié)實(shí)驗(yàn)，樣件微觀結(jié)構(gòu) 如圖9.  b所示，鋁粉熔化并對月壤進(jìn)行了包圍連 接，但未見有力學(xué)性能的相關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)道[17]。

4 . 2 月壤擠出成形工藝
NASA馬歇爾空間飛行中心開展了基于月壤的無水水泥制備與性能、混 凝土擠出成形工藝兩方面的研究。 NASA與 Tou- tanji等人合作開展無水水泥的研制與性能評估工 作，研究團(tuán)隊(duì)采用可從月壤中提取的硫磺作為粘 結(jié)劑，與模擬月壤材料混合，制備出一種硫磺水 泥，又稱為月壤水泥（ Lunarcrete)，與傳統(tǒng)的水 基水泥不同，硫磺水泥混合物被加熱到硫磺熔點(diǎn) (140 ° C )之上，然后進(jìn)行冷卻，瞬間即可達(dá)到其最 佳力學(xué)性能，從而獲得一種無水的混凝土結(jié)構(gòu)。 與此同時(shí)， NASA與南加州大學(xué)合作開展相應(yīng)的 混凝土擠 出 成 形 系 統(tǒng) (  Extruded Concrete System， 或 Contour Crafting) ，如 圖 1 0所示，實(shí)現(xiàn)混凝 土結(jié)構(gòu)的近凈成形，并開展地面試驗(yàn)，驗(yàn)證該套裝 備在月球或火星的適用性。

4 . 3 月壤無機(jī)粘結(jié)劑3D打印
歐洲宇航局（ European Space Agency，ESA) 資助，由英國 Foster + Partners 公司、 Monolite 公 司、意大利Alta SpA公司、比薩大學(xué)等組成的研 究團(tuán)隊(duì)，專門研究如何就地取材，在月球上建立可 供人類居住的基地[19]，該研究團(tuán)隊(duì)采用英國 Monolite公司研制的基于D-shape技術(shù)的3D打印 機(jī)實(shí)現(xiàn)穹頂建造，該設(shè)備基于一個(gè)6 m寬的框架 (如圖11.  a 所示），打印機(jī)的噴頭陣列在框架內(nèi) 移動，每次打印的單層厚度是5 〜10 mm，把無機(jī) 粘結(jié)劑溶液噴到沙粒狀的建筑材料上，溶液和沙 粒一起反應(yīng)凝固可形成大理石質(zhì)地的堅(jiān)固結(jié)構(gòu) 體，該研究團(tuán)隊(duì)利用模擬月壤進(jìn)行了地面測試，打 印出了蜂窩結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如圖11.  b所示。

5 空間3D 打印的技術(shù)挑戰(zhàn)與前景
5. 1 空間3D打印技術(shù)挑戰(zhàn)
空間極端環(huán)境條件，如高真空、微重力、高輻 射、極端溫度以及裝備負(fù)載功率要求等，對3D打印工藝和材料提出了苛刻的要求，如何利用空間環(huán)境資源，開發(fā)出適用于空間制造的3D打印工藝、裝備與材料至關(guān)重要�？臻g高真空條件（真 空度小于10-5  Pa)為3D打印過程提供了一個(gè)優(yōu)異的制造環(huán)境，可避免地面制造過程中氧化、氣孔夾雜等對零件性能的影響。盡管如此，艙外極 端環(huán)境條件仍給空間3D打印技術(shù)帶來了巨大的 挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

1) 微重力：空間微重力環(huán)境對3D 打印原料形態(tài)、工藝裝備類型提出了新要求，微重力環(huán)境 對 3D打印工藝的傳熱及材料凝固過程的影響規(guī) 律尚未明確，對 3D 打印零件性能的影響規(guī)律仍 需進(jìn)一^步探索；
2) 極端溫度：空間高真空、高太陽輻射條下，背陰/照射面溫度變化范圍可達(dá)到- 100〜 -200 ° C/100 ° C ，極端溫差導(dǎo)致3D 打印溫度場的極度不均勻；
3 ) 能源利用：按照空間設(shè)施建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)空間單臺設(shè)備功率應(yīng)低于1000 W，要滿足3D 打 印工藝過程及其溫度場控制對能量的需求，必須 采取新的能源利用方式與溫度控制策略；
4) 材料:空間3D 打印所使用材料應(yīng)滿足質(zhì)、高強(qiáng)度、耐極端溫度、耐空間射線輻射等要求， 甚至還需要高效回收再制造，需解決空間原位材料利用問題。同時(shí)，現(xiàn)有地面使用的3D打印裝備質(zhì)量與 體積一般較大，能耗較高，很難適應(yīng)空間飛行的需 要，必須在質(zhì)量、體積及能耗等方面對3D 打印設(shè) 備進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使其能夠承受有效載荷發(fā)射時(shí) 的惡劣工況，且盡可能降低設(shè)備的故障率。

5 . 2空間3D打印技術(shù)前景
為實(shí)現(xiàn)太空制造技術(shù)， NASA提出了著名的 “Massless Exploration” 構(gòu)思，首次分析了逐步 實(shí)現(xiàn)太空制造的四個(gè)階段：第一階段為地基 (earth- based)制造技術(shù)探索，米用地面試驗(yàn)方式， 對太空制造的可行性進(jìn)行驗(yàn)證;第二階段為基于 空間站平臺的空間制造技術(shù)試驗(yàn) 驗(yàn)證，基于第一階段的研究結(jié)果，在空間站平臺上 進(jìn)行太空制造與修復(fù)，開展小型衛(wèi)星的在軌制造、 塑料零件的在軌回收利用、在軌金屬零件制造演 示等試驗(yàn);第三階段為基于行星表面平臺的空間制造技術(shù)驗(yàn)證。

重點(diǎn) 解決空間原位資源（如月壤等）的利用技術(shù)，以及空間零件、建筑的構(gòu)造技術(shù)，通過三個(gè)階段的試驗(yàn) 驗(yàn)證，為最終實(shí)現(xiàn)深空探索任務(wù)（ Deep Space Mis-sions 供技術(shù)支撐。近期，我國正在大力推進(jìn)空間站建設(shè)和探月 工程,如何利用空間3D 打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)太空制造， 為建設(shè)空間站和探月提供制造手段支撐，需要我 國3D 打印與空間技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行交叉合作，推動 空間3D 打印技術(shù)的發(fā)展，借 鑒 NASA的“ Mass- less Exploration”，結(jié)合我國空間站建設(shè)與探月工 程的實(shí)際需求，可逐步進(jìn)行實(shí)施。

1 ) 開展地面驗(yàn)證試驗(yàn)，探索空間環(huán)境條件下 3D打印工藝、裝備與材料體系的可行性。考慮空 間極端環(huán)境對3D 打印工藝的影響，開展地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)模擬空間環(huán)境下高性能聚合物及其 復(fù)合材料、無機(jī)非金屬材料、多自由度大尺度制造 等 3D 打印工藝與裝備；開展面向空間應(yīng)用的輕 質(zhì)高性能材料如PEEK、 PEI及其復(fù)合材料的材料 體系與3D 打印工藝研究，探索高性能聚合物及 其復(fù)合材料的高效回收利用方法；同時(shí)，要積極探 索空間原位材料的利用策略，如月壤、小行星表面 材料等，研究材料成分對3D 打印工藝與制件性 能的影響規(guī)律。

2) 開展空間3D 打印在軌實(shí)驗(yàn)，可利用我國空間實(shí)驗(yàn)的機(jī)會，在實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星、實(shí)驗(yàn)飛船以及空間 站中開展空間3D 打印在軌實(shí)驗(yàn)（包括艙內(nèi)和艙
外環(huán)境），研究有效載荷發(fā)射過程、空間環(huán)境等對 裝備穩(wěn)定性、3D 打印過程、制件微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué) 性能的影響規(guī)律，為空間3D 打印工藝裝備的優(yōu) 化提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3) 結(jié)合我國探月工程，開展行星表面平臺或 建筑的3D 打印工藝探索，解決空間極端溫差、空 間輻射等環(huán)境因素給空間零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出的新挑戰(zhàn);開展空間原位資源利用研究，利用月球表面 資源與能源，開展月球表面原位制造的探索，為深 空探索提供一個(gè)有效的制造基地。

編輯：南極熊
作者：田小勇  李滌塵  盧秉恒  西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)研究實(shí)驗(yàn)室
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