空間在軌3D打印進展及關(guān)鍵問題分析

王 敏 時 云 楊天豪 郭立杰 劉玉來

空間在軌3D打印進展及關(guān)鍵問題分析

王 敏時 云楊天豪郭立杰劉玉來

（1.中國科學院沈陽自動化研究所，機器人學國家重點實驗室，沈陽 110016；2.上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245）

針對在軌3D打印技術(shù)在空間實施的關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)了在軌3D打印技術(shù)主要研究進展，闡述了空間制造與地面制造的區(qū)別，最后，分析了3D打印技術(shù)實現(xiàn)空間在軌作業(yè)所需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。研究結(jié)果可為我國在軌3D打印技術(shù)發(fā)展提供參考。

在軌3D打印；空間增材制造；在軌制造

1 引言

隨著人類太空探索的不斷深入，上世紀90年代開始，各航天大國陸續(xù)開展了空間在軌3D打印技術(shù)相關(guān)研究。空間在軌3D打印是指在地外空間平臺上利用3D打印技術(shù)，根據(jù)需求進行零部件的原位制造。由于其顯著的經(jīng)濟和社會效益，近年來，空間在軌3D打印技術(shù)發(fā)展迅速。然而，由于空間特殊環(huán)境等因素的影響，空間在軌3D打印技術(shù)的實施仍然存在很多亟待解決的問題。

2 空間在軌3D打印技術(shù)主要進展

2.1 高分子材料3D打印

高分子材料空間3D打印技術(shù)研究開展的最早，并已有多臺空間3D打印機實現(xiàn)在軌試驗。2017年，美國太空制造公司采用擴展結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)制造了一個37.7m的梁，為下一步空間超大結(jié)構(gòu)的在軌制造奠定基礎(chǔ)（如圖1）。與NASA采用ABS材料不同，意大利Altran公司制造了使用生物可降解材料PLA塑料的在軌3D打印機（POP3D），這對空間站艙內(nèi)環(huán)境的影響更小。該設(shè)備外形是邊長25cm的立方體，比NASA的空間3D打印機小很多，也是采用的熔融沉積成型工藝（FDM）。

在空間材料回收再利用方面，美國太空制造公司開發(fā)了在微重力條件下塑料回收系統(tǒng)R3DO，可用于將國際空間站的ABS塑料零件轉(zhuǎn)換為3D打印機絲材。該系統(tǒng)建立了一個回收器，能夠分解ABS塑料零件（最大尺寸為6cm×12cm×6cm），并將其轉(zhuǎn)化為(1.75±0.1)mm直徑的焊絲盤或球狀物。

圖1 擴展結(jié)構(gòu)增材制造設(shè)備及制造的結(jié)構(gòu)

2.2 金屬材料3D打印

NASA目前正在開發(fā)兩種空間金屬3D打印工藝，以便在國際空間站上演示：結(jié)合金屬沉積工藝、送絲+電弧增材制造工藝。

結(jié)合金屬沉積工藝：金屬顆粒結(jié)合在聚合物中，印刷子系統(tǒng)可以通過熔絲制造擠出聚合物并沉積在構(gòu)建板上，零件在爐中經(jīng)過脫粘循環(huán)釋放聚合物粘結(jié)劑，剩余金屬燒結(jié)，最后，零件返回打印室進行整理。路易斯維爾大學已經(jīng)開發(fā)了用于結(jié)合金屬沉積的金屬Ti-64長絲，如圖2所示。

圖2 用于結(jié)合金屬沉積3D打印的金屬Ti-64長絲

圖3 用火神原型機生產(chǎn)的散熱器

太空制造公司正在為“國際空間站”開發(fā)一種送絲+電弧增材制造（WAAM）系統(tǒng)——火神系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有多種功能，包括金屬3D打印、聚合物3D打印和減材制造等，可用于多種航空、航天級金屬材料3D打印制造。該系統(tǒng)3D打印原材料以焊絲的形式提供，且具有很高的可擴展性。圖3為用火神原型機生產(chǎn)的散熱器。

資料[6]介紹了NASA零重力下鋁和鈦材料電子束無模成型制造（EBF3）試驗成果，如圖4、圖5。

圖4 零重力拋物線飛行中鋁的EBF3實驗

圖5 電子束無模成型制造（EBF3）的鋁和鈦零件

目前，還沒有資料顯示在太空軌道上進行了金屬3D打印試驗。

2.3 生物復合材料3D打印

2014年，美國宇航局艾姆斯研究中心開展了原位按需印刷先進生物復合材料的研究，實現(xiàn)了一個非結(jié)構(gòu)蛋白的兩種材料陣列的打印。宿主細胞是釀酒酵母，打印介質(zhì)和底物是一種含葡萄糖的海藻酸鈉培養(yǎng)基沉積在含鈣和半乳糖的瓊脂表面。研發(fā)人員預計，如果生物衍生材料空間3D打印技術(shù)能夠成功應用，可大幅減少在軌飛行任務(wù)中使用的部件的質(zhì)量。

2018年，卡爾加里大學研發(fā)了一種處理太空中人體廢物的方法。使用特殊的基因工程酶，將人類糞便轉(zhuǎn)化為特殊的生物塑料物質(zhì)，可用作3D打印的材料。

2.4 電子功能器件3D打印

按需制造電子產(chǎn)品（ODME）可實現(xiàn)在軌道上建造機組、結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)和傳感器等的關(guān)鍵功能。

2012年，英國華威大學（University of Warwick）發(fā)明的一種可導電的炭黑和不導電的塑料集合物組成的復合材料，可打印觸摸傳感器和彎曲傳感器，并已成功打印了可感知人類手指彎曲的手套（如圖6）。

圖6 3D打印可感知人類手指彎曲的手套

2018年，美國Techshot公司研究了微重力環(huán)境下可3D打印電子產(chǎn)品的小型化和適應性改造問題，以及電子設(shè)備和航空電子設(shè)備的空間制造，如圖7所示，為用于特性描述的目的而連接了電線。

圖7 Techshot公司3D打印的無線濕度傳感器

國內(nèi)來看，中國科學院沈陽自動化研究所開展了空間電子3D打印技術(shù)的研究。為模擬無重力環(huán)境下電子打印，開發(fā)了基于靜壓懸浮軸承支承和直線電機驅(qū)動技術(shù)的精密懸浮定位工作平臺；針對空間零重力條件，開發(fā)了定位精度高、可控性好、能夠更好適應零重力環(huán)境的多孔徑多路三維噴頭系統(tǒng)，實現(xiàn)了高精度電子產(chǎn)品的3D打印制造（如圖8～圖10）。

航天恒星科技股份有限公司也在模擬真空環(huán)境中開展了電子3D打印實驗。

圖8 多孔徑多路三維噴頭系統(tǒng)圖

圖9 電子3D打印樣品

圖10 3D打印制造的太陽電池超細柵極

2.5 月壤3D打印

月壤3D打印是利用3D打印技術(shù)將月球上的原始土壤轉(zhuǎn)變成建筑材料，期望未來能在月球上構(gòu)建人類棲息地。如圖11為NASA組織的3D打印棲息地挑戰(zhàn)賽中的部分獲獎?wù)咦髌贰?/p>

圖11 3D打印生活環(huán)境

3 空間制造與地面制造的區(qū)別

空間平臺一般完全脫離了地球大氣層。空間環(huán)境與地面環(huán)境差別非常大。空間極端環(huán)境包括：極熱/極冷循環(huán)、高真空、原子氧、太陽紫外輻射和宇宙高能射線輻射等。在軌3D打印需要考慮空間極端環(huán)境對材料成型、制造工藝及設(shè)備的影響。

3.1 微重力環(huán)境影響

以空間站為例，其微重力水平約為10g～10g。在微重力條件下，流體（氣體、液體、熔體）中的浮力對流、重力沉降、液體壓力梯度等現(xiàn)象基本消失，導致流體形態(tài)和物理/化學過程等發(fā)生顯著變化，影響或改變材料流動機制，也影響材料的加工及制備過程。微重力對3D打印技術(shù)的主要影響有：對成形性的影響：材料的熔敷特性與地面不同；對加工工藝的影響：空間3D打印工藝與地面有很大不同。打印系統(tǒng)及送料方法也與地面不同，難以實現(xiàn)鋪粉式選擇性激光3D打印；對零件性能的影響：微重力環(huán)境下3D打印由于成形機理的差別，零件的性能與地面3D打印有所不同。

3.2 高真空環(huán)境影響

在高真空環(huán)境下（如空間站運行的近地軌道空間，大氣壓力僅為10Pa），輻射是換熱的主要方式，傳導和對流的換熱效應幾乎可以忽略。這與地面大氣條件下的換熱方式有很大的不同。

艙外高真空環(huán)境對在軌3D打印材料的熱量管理有很大影響。高真空還可能引起3D打印設(shè)備活動部件出現(xiàn)冷焊現(xiàn)象。

3.3 空間輻射影響

空間輻射來源于銀河宇宙線和太陽宇宙射線（包括太陽質(zhì)子事件）。太陽輻射包含波長小于0.28μm的紫外線、X射線、γ射線的熱輻射，以及波長大于1000μm的射電波等非熱輻射。宇宙射線的主要成分是質(zhì)子（約占90%）、氦核即α粒子（約9%），以及電子、各種重離子、伽馬射線等（約1%）。由于艙體結(jié)構(gòu)有一定的防護作用，艙內(nèi)輻射計量比艙外低1～2個數(shù)量級。因此，艙外在軌3D打印需要考慮艙外空間輻射對材料及設(shè)備的影響。

4 關(guān)鍵技術(shù)問題

4.1 打印設(shè)備方面

a. 系統(tǒng)集成化、自動化問題。現(xiàn)有的空間3D打印系統(tǒng)功能比較單一。由于空間資源有限，但對打印產(chǎn)品需求種類較多，這就需要空間3D打印系統(tǒng)具有使用多種材料按需制造部件的能力；為保證打印產(chǎn)品的質(zhì)量，減少宇航員負擔，要求作業(yè)過程全自動化，具有基于地球遠程操控的能力。

b. 可維護性設(shè)計問題。為滿足太空應用的特殊需求，空間3D打印系統(tǒng)需采用可維護性設(shè)計方法，采用通用工具即可對系統(tǒng)進行維護。

c. 接口技術(shù)問題。空間3D打印設(shè)備需要滿足空間站各項接口要求，包括系統(tǒng)本身的質(zhì)量/體積，以及能耗、熱控制、環(huán)境控制要求等等。

d. 安全保障問題。空間3D打印操作過程及產(chǎn)品必須對宇航員安全及空間站系統(tǒng)不產(chǎn)生不利影響；對系統(tǒng)相關(guān)的風險進行評估，例如系統(tǒng)本身可能失敗的概率和特定制造嘗試失敗的概率，及對空間站結(jié)構(gòu)和人員的影響。

4.2 材料方面

目前研究的在軌3D打印材料包括：高分子材料、金屬、陶瓷、復合材料、電子打印材料等等。打印原材料形態(tài)方面，塑料、金屬材料3D打印原材料中絲材、片材等是最常用的，粉狀材料難以在空間站零重力環(huán)境下應用。

下一步需要梳理可供增材制造使用的原材料體系，建立空間3D打印原材料的材料性能標準。此外，還需要研究空間回收再利用材料轉(zhuǎn)化為3D打印原材料的制造工藝及技術(shù)標準。

4.3 制造工藝方面

適合高分子材料的熔融沉積式3D打印方法（FDM）研究的較多，適合金屬、陶瓷、復合材料的3D打印方法目前研究的成熟度較低，有待進一步研究；零件的質(zhì)量評定技術(shù)，空間3D打印工藝/檢驗標準、操作規(guī)范的建立等，也是值得關(guān)注的問題；此外，空間3D打印研發(fā)團隊需要與空間結(jié)構(gòu)設(shè)計團隊開展合作，以便使在軌3D打印技術(shù)的空間應用價值最大化，同時，將其對空間結(jié)構(gòu)的影響降到最小。

4.4 地面模擬試驗

充分的地面模擬試驗是在軌3D打印在空間成功應用的基礎(chǔ)。地面模擬試驗包括在軌3D打印技術(shù)的地面模擬試驗方法的研究，以及模擬試驗裝置的建設(shè)等方面。目前地面模擬微重力環(huán)境的試驗方法主要有落塔法、拋物線飛行法等，還需研究空間環(huán)境綜合模擬試驗方法，并建立相應的標準規(guī)范。

5 結(jié)束語

空間在軌3D打印技術(shù)是在軌制造的重要手段之一。隨著我國航天科學的發(fā)展，非常有必要有計劃地開展空間在軌3D打印技術(shù)的研究，為我國空間科學發(fā)展以及深空探測提供有效的支撐保障。

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Present Situation of the Technology Development of American In-orbit Manufacturing and Its Enlightenment

Wang MinShi YunYang TianhaoGuo LijieLiu Yulai

(1. State Key Laboratory of Robotics, Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016; 2. Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer Co., Ltd., Shanghai 200245)

Aiming at the key technologies of on-orbit 3D printing technology in space, this paper summarizes the main research progress of on-orbit 3D printing technology, expounds the differences between space manufacturing and ground manufacturing, and finally, the key technical problems of 3D printing technology for space on-orbit operation are analyzed. The research results can provide reference for the development of on-orbit 3D printing technology in China.

on-orbit 3D printing；on-orbit additive manufacturing；space manufacturing

TG115.28

A

中央軍委裝發(fā)科技信息項目（JZX7J202104QB010900）。

王敏（1963），博士，材料加工工程專業(yè)；研究方向：空間在軌制造技術(shù)。

2020-04-29