【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(zhǎng)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(yáng)系內(nèi)星球探索基地建設(shè)和運(yùn) 行，很大程度依賴(lài)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(duì)空間探索活動(dòng)的限制，以獲得 深空探索所需的運(yùn)載平臺(tái),、工具與裝備,。空間制造可直接利用太陽(yáng)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(guò)程對(duì)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(shì),，較適合空間制造需求。目前,，我國(guó)正在推進(jìn)載人航天與空間站建設(shè),、 月球探測(cè)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(duì)我國(guó)空間探索具有十分重要 的推動(dòng)作用與戰(zhàn)略意義,。根據(jù)空間探索對(duì)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(duì)艙內(nèi)增材制造,、在軌原位 增材建造、月球現(xiàn)場(chǎng)增材制造等三個(gè)方面國(guó)內(nèi)外 的前沿探索進(jìn)行綜述,，進(jìn)而對(duì)所面臨的關(guān)鍵問(wèn)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(kāi)展了研究，開(kāi)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(tái)可以在300 x 300 x 150 mm空間移動(dòng)，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(kāi)展了拋物線 飛行試驗(yàn),，研究微重力環(huán)境對(duì)電子束熔絲沉積工 藝及零件性能的影響。研究對(duì)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(guò)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(kāi)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(duì)石蠟,、尼龍、 ABS,、（ PPSF),、 PC 以及 Ultem 9085 等一系列高分子材料開(kāi)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(kāi)展了拋物線飛行試驗(yàn),，完成了 1 h 20 min的無(wú)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(guó)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(guó)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(cè)試,、微重力環(huán)境 下的成形性能測(cè)試,、結(jié)構(gòu)工具的功能測(cè)試共三類(lèi) (圖3.  b)，將用于和地面3D打印樣件進(jìn)行全面對(duì) 比分析,，研究空間環(huán)境對(duì)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(tái)空間3D打印機(jī)POP3D(  Portable On-Board Printer)也已經(jīng)完成 樣機(jī)的開(kāi)發(fā)工作,，在 2015年被送往國(guó)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(tái)，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(guò)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(cè)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(lèi)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(wèn)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(guó)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(duì)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(guò)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(lái),，通過(guò)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(duì)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(guò)程導(dǎo)致的基體 材料老化現(xiàn)象仍在研究過(guò)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(kāi)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(kāi),，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(guó)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(yáng)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(kāi)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(dòng)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(guó)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(kāi)展了系統(tǒng)研究,。 ISFR/ ISRU的研究主 要圍繞空間制造技術(shù)評(píng)估、空間資源利用可行性 分析,、地面驗(yàn)證試驗(yàn)等開(kāi)展了系統(tǒng)研究,，并針對(duì)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(kāi)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(kāi)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(shì)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(wèn)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(wèn)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(wèn)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(duì)月壤進(jìn)行了包圍連 接,，但未見(jiàn)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(kāi)展了基于月壤的無(wú)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(kāi)展無(wú)水水泥的研制與性能評(píng)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(chēng)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(wú)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(kāi)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(kāi)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(wú)機(jī)粘結(jié)劑3D打印
歐洲宇航局（ European Space Agency,，ESA) 資助,，由英國(guó) 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(zhuān)門(mén)研究如何就地取材,，在月球上建立可 供人類(lèi)居住的基地[19],，該研究團(tuán)隊(duì)采用英國(guó) 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(dòng),，每次打印的單層厚度是5 〜10 mm，把無(wú)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(cè)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(duì)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(kāi)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,。空間高真空條件（真 空度小于10-5  Pa)為3D打印過(guò)程提供了一個(gè)優(yōu)異的制造環(huán)境,，可避免地面制造過(guò)程中氧化,、氣孔夾雜等對(duì)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(lái)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(duì)3D 打印原料形態(tài),、工藝裝備類(lèi)型提出了新要求，微重力環(huán)境 對(duì) 3D打印工藝的傳熱及材料凝固過(guò)程的影響規(guī) 律尚未明確,，對(duì) 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(yáng)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(chǎng)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(tái)設(shè)備功率應(yīng)低于1000 W,，要滿足3D 打 印工藝過(guò)程及其溫度場(chǎng)控制對(duì)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(wèn)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(duì)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(duì)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(tái)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(tái)上 進(jìn)行太空制造與修復(fù)，開(kāi)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(tái)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(guò)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(guó)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(guó)3D 打印與空間技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行交叉合作，推動(dòng) 空間3D 打印技術(shù)的發(fā)展,，借 鑒 NASA的“ Mass- less Exploration”,，結(jié)合我國(guó)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(kāi)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,�,？紤]空 間極端環(huán)境對(duì)3D 打印工藝的影響，開(kāi)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(wú)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(kāi)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(duì)3D 打印工藝與制件性 能的影響規(guī)律。

2) 開(kāi)展空間3D 打印在軌實(shí)驗(yàn),，可利用我國(guó)空間實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì),，在實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星、實(shí)驗(yàn)飛船以及空間 站中開(kāi)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(guò)程,、空間環(huán)境等對(duì) 裝備穩(wěn)定性、3D 打印過(guò)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(guó)探月工程,，開(kāi)展行星表面平臺(tái)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(kāi)展空間原位資源利用研究,，利用月球表面 資源與能源,，開(kāi)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(guó)家重點(diǎn)研究實(shí)驗(yàn)室
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