中科院空間應用中心：把3D打印搬上太空

　　項目負責人在現場介紹太空3D打印試驗方案

　　失重環境下的試驗隊員

　　拋物線飛機上打印的"中國科學院"

　　3月初，法國波爾多，93次拋物線飛行試驗。

　　試驗中，中科院太空增材制造技術試驗隊，利用每次22秒微重力環境，用自主研發的設備和工藝成功打印了目標樣品。

　　此次試驗也是我國首次開展微重力環境下增材制造（3D打印）技術試驗驗證，為未來把3D打印機搬上太空提供了重要的數據和經驗。

　　傳統上行補給的局限

　　后勤補給資源是長期太空探索任務成功的重要保證，但目前由于技術局限，只能通過地面發射的運載火箭和飛船進行資源運輸，以滿足太空中的各種需求，不僅周期長，而且成本昂貴。在未來人類探索火星等更遠的目的地時，這種資源補給方式是不現實的。

　　如果這些零部件在太空里就能直接制造，這將是人類太空探索技術的一次革命性的進展。

　　“傳統上行補給主要是通過由地面向太空發射的貨運飛船等運輸方式，這種方式的弊端就是補給周期較長，太空里的設備一旦發生故障，如果沒有備件，只能等地面科研人員制造、下次運輸之后，再進行維修。” 本次試驗的技術負責人、中科院空間應用工程與技術中心王功研究員在接受《中國科學報》記者采訪時表示。

　　據了解，我國空間站將于2020年前后建成，將在軌運行不少于10年，為維護站內設施的健康運行并支持較大規模的科學與應用研究，需要持續進行資源補給。受在軌貯存空間限制，大多數資源需要通過貨運飛船上行補給。而過度依賴上行補給將可能導致空間站設備長時間處于停機狀態。

　　王功說，盡管通常會對太空中發生的各種狀況提前做好預案，但歷史表明常常會有預案外的情況發生，在發生緊急狀況時，貨運飛船和運載火箭的準備周期較長，需等待發射窗口，應急維修十分困難。哥倫比亞號航天飛機事故調查報告顯示，爆炸前航天員已經確定了隱患和解決方案，但因為在軌沒有所需的備件及工具而無法實施。

　　“如果要為空間探測任務中各種可能的狀況做充分準備，就會造成的制造、物流、發射以及在軌貯存等方面代價巨大。”本次拋物線飛行試驗系統主管設計師劉亦飛坦言。資料顯示，目前國際空間站存放有價值超過10億美金的各類備件及工具。

　　另外，目前部署在空間的飛船、衛星和有效載荷均需要經歷嚴酷的發射環境，盡管這個大約10分鐘的時長與其在軌壽命相比幾乎可以忽略，但為保證能夠有足夠的強度，常常“過于粗壯”，實際上很不劃算。

　　“如果通過3D打印技術，在太空中把需要配備的零件打印出來，不僅可以及時維修，還可以制造新的有效載荷、開展更多的科學實驗。”當王功提到這項“未來技術”時，顯得很激動。

　　太空制造的技術

　　“3D打印技術主要以數字化、自動化為主，不會對航天員帶來過重的工作負荷。如果3D打印技術可以搬進空間站里，不僅可以打印維修所需的零件，甚至可以打印你的專屬衛星。未來或許可以在其他星球打印板材和石磚等建材來建造房子。”王功把這項技術的未來想象的十分美好。

　　除此之外，未來的3D打印技術還可在太空中直接制造大型結構，從而為部署創新應用項目提供可能。如果不需要考慮發射環境的話，可以制造更精巧、更精密的產品。

　　這項技術理論上是成立的，太空3D打印機技術可以根據空間任務中實際發生的狀況按需制造，無需提前準備和在軌貯存大量的故障發生概率較低的備件，從而大幅節約運載資源及在軌貯存空間。僅需要存放一定量的原材料，通過太空增材制造和材料循環利用技術應對多種可能性。

　　再遙遠的目標也總要邁出第一步。王功團隊正在把這個理論上的東西一步步變為現實。所以才有了93次拋物線飛行試驗，而且證明了在微重力狀態下，我國的設備可以打印出所需產品。

　　“材料是太空的稀缺資源，除了貨運飛船的補給，其他材料也要盡量利用。”中科院空間應用中心副研究員程天錦告訴《中國科學報》記者。目前我們正在同步研究3D打印材料的循環利用技術，未來可以將空間站內的部分廢棄物，如航天員的飲水袋等，制備成太空3D打印的原材料。

　　地面供給的材料加上可循環的材料，這樣就可根據需要快速制造急需的工具和備件。

　　太空3D技術不僅在我們國家有所提議，美國和歐洲等國家也在研究這個項目。NASA將在軌增材制造技術視為支持載人登火等深空探測任務的戰略性關鍵技術，為此部署了多項技術的研究，其中Made in Space公司研制的FDM塑料3D打印機目前正在國際空間站試用。同時，NASA近期委托斯坦福大學著手開展生物材料太空3D打印的研究。歐空局原計劃在2015年將一臺3D打印機送上國際空間站，但目前仍處于準備階段。

　　多方合作，盡早突破

　　此次拋物線飛行試驗是在空間應用中心與德國宇航局（DLR）的雙邊合作協議框架，DLR向中科院空間應用中心提供的次拋物線飛行試驗機會。

　　“3D打印憑借其高效、靈活的特點成為太空制造技術的重要工藝之一。然而，由于太空環境的特殊性，目前地面3D打印技術難以直接應用，需要對材料、設備及控制方式進行針對太空特殊環境的適應性改造，同時需要開展大量的試驗摸索。當然，地面與太空3D打印技術肯定是可以相互借鑒和促進的。”王功告訴記者。

　　“此次試驗共對五種材料和兩種制造工藝進行了微重力環境下的驗證與探索，其中包含了NASA從未嘗試過的纖維增強復合材料，獲取了不同材料與工藝在微重力環境下的特性數據。”劉亦飛介紹。

　　“太空增材制造是一項涵蓋了材料、流體、工藝、控制等多個學科的復雜技術，雖然我國太空增材制造技術研究的起步晚于美國，但研究更為積極活躍，在理念和技術上并不落后。中科院具有多學科的優勢并且歷來重視基礎研究，積累了大量空間材料、流體等領域的研究數據，并具有多種試驗條件充分開展技術驗證。此次試驗采用了自主研制的設備，主要設備由中科院空間應用中心與中科院重慶智能院共同研制。下一步將聯系國內更多優勢單位尋求聯合研究，著力提高太空增材制造產品的強度、精度和速度，爭取在近期取得更大的突破。”王功信心滿滿地說。