解析空间3D打印技术现状与前景

随着航天技术的发展，探索深空、建设地外星体基地乃至移民等逐渐提上研究日程，涉及实现长期在轨居留的物资和生命保障、空间应用设施 (卫星）的建造、太阳系内星球探索基地建设和运行，很大程度依赖于如何实现高效、可靠、低成本的“空间制造”，从而克服现有火箭运载方式在载重、体积、成本上对空间探索活动的限制，以获得深空探索所需的运载平台、工具与装备。空间制造可直接利用太阳能、原材料等空间资源，实现自我维持；同时，空间微重力环境使得原位制造、组装超大尺寸构件成为可能。

3D打印技术与传统减材或等材制造相比，3D打印技术消除了加工过程对中间模具的需求，能够进行快速需求响应，具有单件小批量定制 化快速制造的优势，较适合空间制造需求。目前，我国正在推进载人航天与空间站建设、月球探测等计划，具备“空间制造”能力至关 重要，实现大尺寸功能构件的空间制造、月球资源 利用与原位制造，对我国空间探索具有十分重要 的推动作用与战略意义。根据空间探索对增材制 造技术的不同需求，空间增材制造技术的应用环 境可以划分为空间舱内环境、在轨原位环境、星球基地环境等三种环境约束条件。本文将围绕这三种环境约束条件，分别对舱内增材制造、在轨原位增材建造、月球现场增材制造等三个方面国内外的前沿探索进行综述，进而对所面临的关键问题进行分析与讨论。

1 舱内增材制造

1.1 微重力电子束熔丝沉积

NASA兰利研究中心围绕金属零件的空间 3D打印开展了研究，开发了一套适用于空间飞 行的轻型电子束熔丝沉积成形设备（EBF3 ) ，如图1所示。该轻型设备采用900 mm直径铝合金成型腔，腔 体压力可以达到1〇4 Pa，利用3 ?5 kW小型电子 束枪作为能量源，沉积平台可以在300 x 300 x 150 mm空间移动，以直径0. 8  mm铝合金2319 (A12319)丝材作为原材料进行沉积。研究人员 在 NASA的C-9微重力研究飞机上开展了拋物线 飞行试验，研究微重力环境对电子束熔丝沉积工艺及零件性能的影响。研究对比了 0g、 1g 、2 g条 件下，电子束熔丝沉积成形零件的微观结构、尺寸精度之间的关系，如图2.a所示，并优化了工艺参 数，最终通过两次飞行计划获得了总高为30 mm 的圆柱体薄壁零件，如图2. b 所 示 ，验证了 0g?条 件下进行电子束熔丝沉积工艺的可行性。

1.2 微重力熔融沉积

NASA马歇尔飞行中心从1993年开始关注 高分子材料熔融沉积制造工艺的空间适用性，并对石蜡、尼龙、 ABS、（ PPSF)、 PC 以及 Ultem 9085 等一系列高分子材料开展了空间环境及毒性水平研究，于1999年选用ABS和 Ultem 9085在 KC- 135飞机上开展了拋物线飞行试验，完成了1 h 20 min的无重力试验，初步验证了微重力熔融沉。

2014年11月25日，NASA 与 Made In Space公司合作实现了全球首次空间3D打印，在国际空间站的微重力科学手套箱（MSG)中成功打印了印有“MADEINSPACE/NASA ”字样的铭牌（图 3.a)，并在国际空间站制造了约2 0个结构样件，这些结构样件被分成材料性能测试、微重力环境下的成形性能测试、结构工具的功能测试共三类 (图3.b)，将用于和地面3D打印样件进行全面对比分析，研究空间环境对3D打印工艺及零件性能的影响规律。在欧洲，由欧洲宇航局授权意大利Altran公司研制的ESA第一台空间3D打印机POP3D(Portable On-Board Printer)也已经完成样机的开发工作，在2015年被送往国际空间站。POP3D打印机在运行时需要的电量非常小，其质 量大约为5.5 kg，使用的原材料是可生物降解的PLA线材。

1.3 面向空间应用环境的高性能复合材料

如1.2 小节所述，目前在轨试验以工程塑料如 ABS、PLA等作为原材料，采用熔融沉积工艺进行塑料零件的制造，很难实现高性能零件的制造。 

为了克服该工艺瓶颈，实现高性能材料功能零件的空间快速制造，西安交通大学提出了连续纤维增强复合材料3D打印新工艺方法，初步完成 了复合材料3D 打印喷头的试制，搭建了实验平台，如图4.a所示，验证了连续纤维增强热塑性复合材料3D 打印机理的可行性，工作过程及打印样件如图4.b所示;研究了 3D 打印10 wt% CF/ ABS复合材料样件的力学性能，测试结果表明其平均抗弯强度达到127 MPa，远大于传统ABS零件，略低于同类传统复合材料约140 MPa;抗拉强度比熔融沉积3D 打印ABS样件提高了 6 倍，是注塑成形ABS样件的3倍，但仍低于传统CF/ABS样件，纤维拔出、断裂是3D打印复合材料的抗拉破坏形式，如图5.a所示;初步验证了3D打印复合材料工艺可行性，证明了纤维增强效果；同时，也发现存在纤维束/基体熔融浸渍不充分、剥离等关键问题有待解决，如图5.b所示。

1.4 空间废弃物利用再制造工艺

为了满足空间废弃材料回收循环利用的需求，实现空间材料利用的最大化，美国的MadelnS- pace公司正在研发原材料回收循环再利用装置，用于将使用完毕或损坏废弃的零件材料进行回收并制成丝材，以便再次用于空间在轨3D打印。针对2.3中所制造的连续纤维增强热塑性复合材料，由于其3D打印工艺过程是按照一定的打印路径采用逐层累加的方式进行打印的，复合材料中的纤维是按照连续有序的方式进行排列的，基于该工艺原理，西安交通大学初步探索了CF/PLA零件的纤维回收再制造技术。

如图6(a)所示，该技术采用热风枪非接 触式加热熔融的方式沿着逆打印路径，将连续纤维从工件中一层一层抽离出来，通过模具重新成 型为复合材料丝材，如图6(b)所示，并再次用于连续纤维增强复合材料制件的3D 打印制造，如图6(c)所示，可以很好地实现连续纤维的回收与 复合材料再制造，最大化连续纤维的使用效率，同时降低对环境的二次污染。高性能复合材料的回收再制造技术实现废弃物的零排放回收再制造，突破空间环境资源缺乏的瓶颈，十分重要。初步实验结果表明，采用回收后的复合材料预浸丝作为原材料进行再制造，获得零件的力学性能比首次打印件提高了约25 % ，热循环过程导致的基体材料老化现象仍在研究过程中。