中美首次太空3D打印對(duì)比

● 北方科技信息研究所 高彬彬

2020年5月5日，我國(guó)“長(zhǎng)征”五號(hào)B大型運(yùn)載火箭首次發(fā)射。次日媒體報(bào)道，首飛成功的“長(zhǎng)征”五號(hào)B搭載了我國(guó)新一代載人飛船試驗(yàn)船，船上還搭載了一臺(tái)3D打印機(jī)，這是我國(guó)首次進(jìn)行太空3D打印實(shí)驗(yàn)。

探索太空，征服遙遠(yuǎn)的星辰大海，是大國(guó)科技角力的高級(jí)別戰(zhàn)場(chǎng)；3D打印是近年來(lái)各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的先進(jìn)制造技術(shù)，這兩者的結(jié)合——“太空3D打印”無(wú)疑自帶高科技光環(huán)。談到高科技，不得不提當(dāng)今世界頭號(hào)科技強(qiáng)國(guó)——美國(guó)，他們的首次太空3D打印是什么情況？中美之間有何差異？本文從材料、工藝設(shè)備等方面對(duì)比了中美首次太空3D打印任務(wù)，并對(duì)值得注意的幾個(gè)話題進(jìn)行了延伸介紹。

一、從發(fā)射到打印的過(guò)程對(duì)比

美國(guó)：有人操作，多次打印

2014年9月21日，美國(guó)獵鷹-9火箭發(fā)射的“龍”（Dragon）飛船給空間站送去了一臺(tái)微波爐大小的3D打印機(jī)。11月17日，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的航天員指揮官巴里·威爾默（Barry Wilmore）在空間站上安裝了這臺(tái)設(shè)備，并進(jìn)行了首次校準(zhǔn)測(cè)試打印。在結(jié)果傳回后，地面控制團(tuán)隊(duì)發(fā)出指令，重新調(diào)整了打印機(jī)設(shè)置，并在11月20日進(jìn)行了第二次測(cè)試。11月24日，地面控制人員向這臺(tái)打印機(jī)發(fā)出了打印第一個(gè)部件的指令，打印出的部件是一個(gè)擠壓機(jī)的外殼面板，也就是這臺(tái)打印機(jī)自己的備件。11月25日，航天員從3D打印機(jī)上取下該部件，并對(duì)其性能進(jìn)行了檢查。

中國(guó)：無(wú)人操作，一次打印

2020年5月5日，“長(zhǎng)征”五號(hào)B大型運(yùn)載火箭將我國(guó)自主研制的“復(fù)合材料空間3D打印系統(tǒng)”搭載于試驗(yàn)船返回艙中。飛行期間，該系統(tǒng)自主進(jìn)行了連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的樣件打印，5月7日1時(shí)58分完成預(yù)定打印任務(wù)，飛船下傳的圖像顯示，2個(gè)樣件成功打印，清晰可辨。這是我國(guó)首次開展軌道3D打印試驗(yàn)，也是全球首次實(shí)現(xiàn)連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的太空3D打印。

▲國(guó)際空間站“命運(yùn)號(hào)”實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，美國(guó)宇航員指揮官巴里 · 威爾莫在微重力科學(xué)手套箱內(nèi)安裝3D打印機(jī)

▲由中國(guó)空間技術(shù)研究院所屬北京衛(wèi)星制造廠有限公司研制的太空3D打印系統(tǒng)在地面進(jìn)行試驗(yàn)

分析：美國(guó)的首次太空3D打印是航天員在空間站操作，并與地面協(xié)同開展工作，有人控制、有人管理，設(shè)備工作異常時(shí)可以人為干預(yù)，全過(guò)程完成多次零件打印和測(cè)試。我國(guó)首次太空3D打印是在飛船飛行過(guò)程中由設(shè)備自動(dòng)打印，全部流程自動(dòng)控制、無(wú)人參與，打印過(guò)程也未與地面協(xié)同互動(dòng)。

二、3D打印材料對(duì)比

美國(guó)：熱塑性塑料

據(jù)公開資料顯示，美國(guó)首次太空3D打印材料采用的是丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物（ABS樹脂）和更高級(jí)的太空級(jí)熱塑性塑料混合材料。熱塑性塑料是3D打印技術(shù)中應(yīng)用較早、較成熟且廣泛的材料。ABS具有高度通用性，特別堅(jiān)固耐用，適用于后處理技術(shù)，如打磨或黏合，但該材料不可生物降解，并且吸入水分或長(zhǎng)時(shí)間暴露在陽(yáng)光下都將影響打印質(zhì)量，因此在不使用時(shí)必須將其存放在密封容器中。

中國(guó)：連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

復(fù)合材料是由2種或2種以上不同性質(zhì)的材料在宏觀或微觀上組成具有新性能的材料，其綜合性能往往優(yōu)于原組成材料。作為結(jié)構(gòu)材料使用的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，尤其是連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，具有較高的比強(qiáng)度和比模量，在航天、航空、汽車、化工等領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用。

▲美國(guó)首次太空3D打印的扳手（打印文件由地面?zhèn)魉停蛴⊥瓿珊笥詈絾T在國(guó)際空間站上使用）

▲我國(guó)首次太空3D打印的樣件

分析：美國(guó)采用的熱塑性塑料是3D打印技術(shù)中采用較早且較普遍的一種材料。我國(guó)采用的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料打印難度更大，該材料密度低、強(qiáng)度高，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外航天器結(jié)構(gòu)的主要材料，開展復(fù)合材料空間3D打印技術(shù)研究，對(duì)未來(lái)空間站長(zhǎng)期在軌運(yùn)行、發(fā)展空間超大型結(jié)構(gòu)在軌制造具有重要意義。中美兩國(guó)首次太空3D打印都采用了非金屬材料，要使太空3D打印發(fā)揮更多的作用，必須擴(kuò)大其打印材料的范圍，突破各類材料的太空3D打印難題。

延伸閱讀

多材料太空3D打印

2020年4月，美國(guó)太空制造公司發(fā)表《鑄造未來(lái)：為什么多材料制造將是長(zhǎng)期太空飛行任務(wù)的關(guān)鍵》一文。文章介紹，NASA的Artemis計(jì)劃開啟人類太空飛行的新時(shí)代，該計(jì)劃包括載人登月、登陸火星等多階段目標(biāo)。深空探測(cè)迫切需要能夠減輕發(fā)射載荷的高可靠低風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)，多材料太空制造可實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備、工具、結(jié)構(gòu)件等部件的制造和維修，使長(zhǎng)時(shí)間太空飛行任務(wù)更加安全、更有保障，因此，多材料太空制造是滿足Artemis計(jì)劃等未來(lái)太空探索任務(wù)要求的關(guān)鍵技術(shù)。

近年來(lái)，歐美等國(guó)都在積極開展相關(guān)研究。2018年4月，德國(guó)首次實(shí)現(xiàn)零重力條件下的金屬3D打印，其技術(shù)路線是基于激光選區(qū)熔化工藝，采用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體穩(wěn)定粉末床，確保金屬粉末顆粒聚集，該技術(shù)已經(jīng)通過(guò)2次失重飛行測(cè)試。2018年5月，NASA資助研究的“火神”太空金屬制造系統(tǒng)采用機(jī)器人及增材減材復(fù)合工藝，可實(shí)現(xiàn)較高精度金屬部件的制造，技術(shù)成熟度達(dá)到6級(jí)。太空制造公司研制的多材料太空3D打印設(shè)備“VULCAN”可以按需調(diào)換不同的加工工具，并不斷升級(jí)，以滿足更多的需求。“VULCAN”可兼容30多種材料，包括高性能熱塑性復(fù)合材料、鈦、鋁和不銹鋼，可在空間站和在軌航天器有限的功率約束下制造金屬零件。

此外，生物3D打印、太空現(xiàn)場(chǎng)材料回收利用再制造也是各國(guó)的重點(diǎn)研究方向。2018年12月4日，俄羅斯宇航員在空間站進(jìn)行活體組織打印實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)計(jì)劃獲得小鼠軟骨組織及具有血管結(jié)構(gòu)的小鼠功能性甲狀腺器官構(gòu)造，這是世界首次太空3D打印生物材料。2019年，NASA與太空制造公司合作開發(fā)太空制造回收裝備，可將聚合物廢料和3D打印零部件回收并制成原材料絲材，從而重新用于太空3D打印。

▲太空制造公司研制的多材料太空3D打印設(shè)備“VULCAN”

三、工藝設(shè)備對(duì)比

美國(guó)：由小型初創(chuàng)企業(yè)研制，設(shè)備已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用

美國(guó)首次太空3D打印的設(shè)備由太空制造公司研制，該設(shè)備采用熔融沉積成型制造（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）工藝。太空制造公司在NASA的支持下，一直致力于太空3D打印技術(shù)研究，其技術(shù)成熟度不斷提高，2016年3月，太空制造公司首臺(tái)實(shí)用型“增材制造設(shè)備”（Additive Manufacturing Facility，AMF）在國(guó)際空間站上安裝，開始為國(guó)際空間站制造實(shí)用物品。該設(shè)備的功耗為600W（可由空間站的太陽(yáng)能電池直接供電），可打印ABS工程塑料、聚碳酸酯、高密度聚乙烯等30多種聚合物材料；打印區(qū)的尺寸為140mm×100mm×100mm；X/Y方向打印精度為25～440μm，Z方向?yàn)?5μm。該裝備按照國(guó)際空間站的標(biāo)準(zhǔn)貨架尺寸制造，長(zhǎng)566.5mm、寬460.4mm、高273.2mm，重45kg，按計(jì)劃可使用至國(guó)際空間站退役（2024年）。

中國(guó)：由國(guó)家隊(duì)研制，自動(dòng)化程度高

我國(guó)首次太空3D打印設(shè)備由中國(guó)空間技術(shù)研究院所屬北京衛(wèi)星制造廠有限公司研制，西安交通大學(xué)等單位參與研發(fā)。一般來(lái)說(shuō)，目前連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料打印工藝分為2種，一種是將纖維和樹脂在打印噴嘴處融合并直接擠出；另一種是先將纖維和樹脂結(jié)合制成預(yù)浸帶，再利用3D打印的方式制備成型。根據(jù)央視新聞報(bào)道視頻和西安交通大學(xué)的報(bào)道綜合判斷，本次太空3D打印工藝屬于前者，是以連續(xù)干纖維束和熱塑性聚合物為原材料，采用自主研發(fā)的打印頭實(shí)現(xiàn)兩者的復(fù)合浸漬與熔融沉積，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料一體化制備與成型。

▲美國(guó)太空制造公司商業(yè)化太空3D打印設(shè)備AMF

▲北京衛(wèi)星制造廠有限公司研制的太空3D打印系統(tǒng)在地面進(jìn)行試驗(yàn)

評(píng)價(jià)：兩國(guó)的首次太空3D打印都是基于熔融沉積成型（FDM）工藝，F(xiàn)DM工藝由美國(guó)學(xué)者Scott Crump于1988年研制成功，屬于3D打印技術(shù)中較為成熟且廣泛應(yīng)用的技術(shù)，其基本原理是材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將熔化的材料擠出，材料迅速凝固，并與周圍的材料凝結(jié)在一起。FDM打印設(shè)備的構(gòu)造原理和操作相對(duì)簡(jiǎn)單，維護(hù)成本低，系統(tǒng)運(yùn)行安全，主要適用于小型零件成型。美國(guó)太空打印設(shè)備已經(jīng)從首次的實(shí)驗(yàn)設(shè)備邁入成熟化商業(yè)應(yīng)用階段；我國(guó)太空打印設(shè)備首次投入太空實(shí)驗(yàn)便成功完成任務(wù)，且打印全過(guò)程自動(dòng)控制，因此設(shè)備的結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)控制、電源照明、攝像監(jiān)控等研制經(jīng)驗(yàn)將為后續(xù)太空3D打印任務(wù)提供重要的技術(shù)參考。

延伸閱讀

太空制造公司

太空制造公司成立于2010年，坐落于加州硅谷心臟地帶的埃姆斯研究中心內(nèi)，由奇點(diǎn)大學(xué)（谷歌與NASA合作創(chuàng)辦）的幾名校友創(chuàng)建。該公司獲得了NASA的大量資助，致力于研發(fā)3D打印、裝配等太空制造技術(shù)。從2011年起，太空制造公司在微重力環(huán)境下對(duì)多項(xiàng)3D打印技術(shù)進(jìn)行了研發(fā)和測(cè)試。公司成立以來(lái)取得了快速的發(fā)展，每年的代表性事件如下：

2011年獲得NASA“飛行機(jī)會(huì)”計(jì)劃合同，開發(fā)微重力環(huán)境下的3D打印技術(shù)。

2012年NASA授予太空制造公司小企業(yè)創(chuàng)新研究計(jì)劃（SBIR）第一階段合同，為國(guó)際空間站開發(fā)增材制造設(shè)備（AMF）。

2013年太空制造公司和NASA馬歇爾航天飛行中心合作，共同建造“Zero-G”太空3D打印實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

2014年實(shí)現(xiàn)首次太空3D打印。

2015年基于太空3D打印的成功經(jīng)驗(yàn)，研制了商業(yè)化的設(shè)備AMF。

2016年AMF在國(guó)際空間站開始商業(yè)化應(yīng)用。太空制造公司再次與NASA合作，啟動(dòng)“多功能太空機(jī)器人精密制造與裝配系統(tǒng)研發(fā)”（Archinaut）項(xiàng)目，俗稱太空建筑師。

2017年太空建筑師（Archinaut）項(xiàng)目成果在NASA的艾姆斯熱真空室通過(guò)可行性測(cè)試。

2018年太空建筑師（Archinaut）項(xiàng)目增材制造技術(shù)和機(jī)器人裝配技術(shù)通過(guò)可行性測(cè)試，使其具備進(jìn)行太空飛行的資格。

2019年太空建筑師1號(hào)（Archinaut One）任務(wù)啟動(dòng)。太空制造公司獲得NASA的合同，將在空間軌道上建造一個(gè)小型衛(wèi)星動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)演示驗(yàn)證太空建筑師項(xiàng)目的技術(shù)。

四、總 結(jié)

當(dāng)前，中美兩國(guó)科技競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)加劇，本文通過(guò)對(duì)比中美兩國(guó)首次太空3D打印任務(wù)的打印過(guò)程、打印材料及工藝設(shè)備，試圖分析兩國(guó)相關(guān)技術(shù)差距、明確強(qiáng)弱項(xiàng)，為太空制造技術(shù)未來(lái)發(fā)展提供借鑒和參考。

（一）中美太空3D打印技術(shù)差距明顯，但我國(guó)有后發(fā)優(yōu)勢(shì)

美國(guó)太空3D打印技術(shù)起步早于我國(guó)，其熱塑性材料3D打印設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用，截至目前，已經(jīng)打印了200多個(gè)部件，并在太空中得以實(shí)際應(yīng)用；多材料混合打印及太空現(xiàn)場(chǎng)回收利用3D打印技術(shù)均已取得突破。相比之下，我國(guó)剛剛起步，還處于試驗(yàn)階段，技術(shù)成熟度明顯低于美國(guó)，但我國(guó)具有后發(fā)優(yōu)勢(shì)，首次打印便使用了難度較大且實(shí)際應(yīng)用價(jià)值更高的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，對(duì)太空在軌制造具有重要意義。

（二）美國(guó)商業(yè)航天企業(yè)領(lǐng)軍太空制造，我國(guó)商業(yè)航天前景廣闊

近年來(lái)，美國(guó)航天發(fā)射和太空探索領(lǐng)域的新興商業(yè)航天公司發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用，埃隆·馬斯克的太空探索技術(shù)（SpaceX）公司多次創(chuàng)造歷史性壯舉，成為美國(guó)商業(yè)航天公司的杰出代表。太空制造方面，在NASA的主導(dǎo)下，以太空制造公司為代表的初創(chuàng)企業(yè)成為技術(shù)主力，該公司在成立后的短短10年時(shí)間里，就已經(jīng)成為全球太空制造技術(shù)領(lǐng)先者，也是NASA太空制造技術(shù)領(lǐng)域的主要供應(yīng)商和合作伙伴，商業(yè)航天快速實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用的效果較為明顯。

近年來(lái)，我國(guó)的商業(yè)航天也呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展之勢(shì)。2014年，國(guó)務(wù)院出臺(tái)《關(guān)于創(chuàng)新重點(diǎn)領(lǐng)域投融資機(jī)制鼓勵(lì)社會(huì)投資的指導(dǎo)意見(jiàn)》，我國(guó)商業(yè)航天逐步進(jìn)入全產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)階段，發(fā)展勢(shì)頭如星星之火，方興未艾，本次太空3D打印也有我國(guó)民營(yíng)航天公司的身影。據(jù)報(bào)道，新一代載人飛船試驗(yàn)船還搭載了世界首個(gè)基于金屬3D打印技術(shù)的立方星部署器，該部署器由商業(yè)航天企業(yè)星眾空間(深圳)科技有限公司研制，本次飛行驗(yàn)證了新型部署器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、材料性能和空間環(huán)境適應(yīng)性。但與美國(guó)SpaceX公司、太空制造公司等先進(jìn)企業(yè)相比，我國(guó)的商業(yè)航天還有很長(zhǎng)的路要走，未來(lái)前景可期。

（三）美國(guó)已經(jīng)系統(tǒng)布局太空制造，大國(guó)競(jìng)爭(zhēng)或?qū)⒔讳h于此

受美國(guó)空軍和NASA的委托，美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)曾專題研究并發(fā)布了《太空3D打印》報(bào)告，指出太空3D打印技術(shù)的8個(gè)應(yīng)用方向：為載人航天器在軌制造替換零件；材料在軌循環(huán)利用；為機(jī)器人航天器在軌制造替換零件；在軌制造地面難以制造或發(fā)射的部件；在軌制造分系統(tǒng)；建立在軌制造實(shí)驗(yàn)室；在軌制造整個(gè)航天器；利用其他行星表面資源建造基地。為加速形成未來(lái)在太空按需制造、自主裝配、服務(wù)保障、重構(gòu)重用等能力，NASA、美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）等機(jī)構(gòu)近年來(lái)密集推進(jìn)太空3D打印、在軌裝配等技術(shù)研究，通過(guò)Artemis等載人航天計(jì)劃牽引技術(shù)驗(yàn)證應(yīng)用，完成太空制造系統(tǒng)布局工作，積極搶占航天技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略制高點(diǎn)。

隨著我國(guó)太空3D打印順利起跑，航天領(lǐng)軍企業(yè)的制度優(yōu)勢(shì)不斷激發(fā)，商業(yè)航天企業(yè)迅速成長(zhǎng)，航天供應(yīng)鏈不斷完善，可以預(yù)見(jiàn)我國(guó)太空制造技術(shù)將快速崛起。隨著大國(guó)博弈態(tài)勢(shì)加劇，太空制造或?qū)⒊蔀橹忻纼蓢?guó)航天競(jìng)爭(zhēng)的重要著力點(diǎn)。