解析空间3D打印技术现状与前景

2 在轨原位增材建造

2.1 空间环境原位3D打印

目前大型航天器结构件均采用可展开结构，先在地面上建造完成，折叠放入运载火箭保护罩，入轨后展开，结构尺寸受到运载火箭保护罩体积与有效载荷的限制，且耗资巨大。2013年，NASA 选定美国Tethers Unlimited公司的SpiderFab技术 做为外空间航天器大型结构的在轨制造解决方案，该公司提出一种以热塑性纤维预浸带或复 合纤维束为原材料，进行熔融挤出复合材料管材 的工艺，在空间进行复合材料管材挤出成形，并采 用蜘蛛机器人（SpiderFab )进行组装焊接的组合工艺，进行大型桁架结构的制造，如图7所示。SpiderFab技术使飞船能够在轨道上使用“Trusse- lat〇 r”3D打印和机器人技术，在空间建造和组装大型结构，例如天线、太阳能电池板、花朵型遮星板、传感器桅杆、轨道侧支索等。

2.2 面向空间的多用途柔性3D打印系统

西安交通大学开展了多自由度3D打印技术的研究，设计了3D打印工具箱模块，提出将该模 块作为舱外机械手的工具箱配件，实现舱外空间3D打印功能。目前，已经于地面上组装了3D打印工具箱模块，并用手持的方式模拟了机械手的抓取、打印等动作，初步验证研究的可行性。在此基础上，搭建了多自由度3D打印原理样机，如图8所示，可实现空间区域内的六自由度3D打印。同时，根据空间复杂环境，初步制定了面向空间极端环境的3D打印策略，并进行相关试验验证。

3 月球原位3D打印

在美国重返月球计划（星座计划）支持下，NASA马歇尔空间飞行中心围绕空间原位制造和修复（ In-Situ Fabrication and Repair，ISFR)[12]以 及空间原位资源利用（In-Situ Resource Utilization，ISRU)开展了系统研究。ISFR/ ISRU的研究主要围绕空间制造技术评估、空间资源利用可行性分析、地面验证试验等开展了系统研究，并针对电子束熔化（Electron  Beam  Melting， EBM)技术、混凝土挤出( Concrete Extrusion System ) 工艺、月壤资源利用等增材制造工艺与材料方面开展了系统研究。

3.1 月壤高能束选区烧结

NASA马歇尔空间飞行中心开展的月壤电子束选区烧结工艺可行性研究发现，月壤矿物组成 中包含了大量铝、钛、铁等元素，月壤选区烧结的最大优势是可以直接使用月球表面原材料进行3D打印制造，但所面临的问题是:如何优化工艺，获取足够强度的零件结构，避免如传统陶瓷烧结所同样面临的材料脆性问题(如图9.a所示，可观察到大量玻璃态物质析出）。为了避免该问题，NASA研究人员采用铝粉作为粘结剂与模拟月壤混合进行了电子束选区烧结实验，样件微观结构 如图9.b所示，铝粉熔化并对月壤进行了包围连接，但未见有力学性能的相关数据报道[17]。

3.2 月壤挤出成形工艺

NASA马歇尔空间飞行中心开展了基于月壤的无水水泥制备与性能、混 凝土挤出成形工艺两方面的研究。 NASA与 Tou- tanji等人合作开展无水水泥的研制与性能评估工作，研究团队采用可从月壤中提取的硫磺作为粘 结剂，与模拟月壤材料混合，制备出一种硫磺水泥，又称为月壤水泥（Lunarcrete)，与传统的水 基水泥不同，硫磺水泥混合物被加热到硫磺熔点(140°C)之上，然后进行冷却，瞬间即可达到其最佳力学性能，从而获得一种无水的混凝土结构。与此同时，NASA与南加州大学合作开展相应的混凝土挤出成形系统(Extruded Concrete System，或 Contour Crafting)，如图10所示，实现混凝土结构的近净成形，并开展地面试验，验证该套装 备在月球或火星的适用性。

3.3 月壤无机粘结剂3D打印

欧洲宇航局（ European Space Agency，ESA) 资助，由英国 Foster + Partners 公司、 Monolite 公 司、意大利Alta SpA公司、比萨大学等组成的研究团队，专门研究如何就地取材，在月球上建立可 供人类居住的基地[19]，该研究团队采用英国 Monolite公司研制的基于D-shape技术的3D打印机实现穹顶建造，该设备基于一个6 m宽的框架 (如图11.a 所示），打印机的喷头阵列在框架内移动，每次打印的单层厚度是5 ?10 mm，把无机 粘结剂溶液喷到沙粒状的建筑材料上，溶液和沙粒一起反应凝固可形成大理石质地的坚固结构体，该研究团队利用模拟月壤进行了地面测试，打印出了蜂窝结构构件，如图11.b所示。

4 空间3D 打印的技术挑战与前景

4.1 空间3D打印技术挑战

空间极端环境条件，如高真空、微重力、高辐射、极端温度以及装备负载功率要求等，对3D打印工艺和材料提出了苛刻的要求，如何利用空间环境资源，开发出适用于空间制造的3D打印工艺、装备与材料至关重要。空间高真空条件（真空度小于10-5  Pa)为3D打印过程提供了一个优异的制造环境，可避免地面制造过程中氧化、气孔夹杂等对零件性能的影响。尽管如此，舱外极端环境条件仍给空间3D打印技术带来了巨大的挑战，主要体现在如下几个方面：

1) 微重力：空间微重力环境对3D 打印原料形态、工艺装备类型提出了新要求，微重力环境 对 3D打印工艺的传热及材料凝固过程的影响规律尚未明确，对 3D 打印零件性能的影响规律仍 需进一^步探索；

2) 极端温度：空间高真空、高太阳辐射条下，背阴/照射面温度变化范围可达到- 100? -200 ° C/100 ° C ，极端温差导致3D 打印温度场的极度不均匀；

3 ) 能源利用：按照空间设施建设标准规空间单台设备功率应低于1000 W，要满足3D 打 印工艺过程及其温度场控制对能量的需求，必须采取新的能源利用方式与温度控制策略；

4) 材料:空间3D 打印所使用材料应满足质、高强度、耐极端温度、耐空间射线辐射等要求，甚至还需要高效回收再制造，需解决空间原位材料利用问题。同时，现有地面使用的3D打印装备质量与 体积一般较大，能耗较高，很难适应空间飞行的需要，必须在质量、体积及能耗等方面对3D 打印设备进行重新设计，使其能够承受有效载荷发射时的恶劣工况，且尽可能降低设备的故障率。

4.2空间3D打印技术前景

为实现太空制造技术， NASA提出了著名的 “Massless Exploration” 构思，首次分析了逐步 实现太空制造的四个阶段：第一阶段为地基 (earth- based)制造技术探索，米用地面试验方式， 对太空制造的可行性进行验证;第二阶段为基于 空间站平台的空间制造技术试验 验证，基于第一阶段的研究结果，在空间站平台上 进行太空制造与修复，开展小型卫星的在轨制造、 塑料零件的在轨回收利用、在轨金属零件制造演 示等试验;第三阶段为基于行星表面平台的空间制造技术验证。

重点解决空间原位资源（如月壤等）的利用技术，以及空间零件、建筑的构造技术，通过三个阶段的试验 验证，为最终实现深空探索任务（Deep Space Mis-sions供技术支撑。近期，我国正在大力推进空间站建设和探月工程,如何利用空间3D打印技术实现太空制造，为建设空间站和探月提供制造手段支撑，需要我 国3D 打印与空间技术领域进行交叉合作，推动空间3D打印技术的发展，借鉴 NASA的“ Mass- less Exploration”，结合我国空间站建设与探月工程的实际需求，可逐步进行实施。

1 ) 开展地面验证试验，探索空间环境条件下3D打印工艺、装备与材料体系的可行性。考虑空间极端环境对3D 打印工艺的影响，开展地面验证实验，重点模拟空间环境下高性能聚合物及其 复合材料、无机非金属材料、多自由度大尺度制造等3D打印工艺与装备；开展面向空间应用的轻 质高性能材料如PEEK、PEI及其复合材料的材料体系与3D打印工艺研究，探索高性能聚合物及 其复合材料的高效回收利用方法；同时，要积极探索空间原位材料的利用策略，如月壤、小行星表面 材料等，研究材料成分对3D打印工艺与制件性能的影响规律。

2) 开展空间3D打印在轨实验，可利用我国空间实验的机会，在实验卫星、实验飞船以及空间站中开展空间3D打印在轨实验（包括舱内和舱外环境），研究有效载荷发射过程、空间环境等对装备稳定性、3D打印过程、制件微观结构与力学性能的影响规律，为空间3D打印工艺装备的优化提供基础实验数据。

3) 结合我国探月工程，开展行星表面平台或建筑的3D打印工艺探索，解决空间极端温差、空间辐射等环境因素给空间零件结构设计提出的新挑战;开展空间原位资源利用研究，利用月球表面资源与能源，开展月球表面原位制造的探索，为深空探索提供一个有效的制造基地。

作者：田小勇  李涤尘  卢秉恒  西安交通大学机械制造系统工程国家重点研究实验室