我國成功完成首次太空“3D打印”

2020年5月5日18時0分，長征五號B搭載新一代載人飛船試驗船和柔性充氣式貨物返回艙試驗艙，從文昌航天發(fā)射場點火升空。約488秒后，載荷組合體與火箭成功分離進(jìn)入預(yù)定軌道，我國空間站階段的首次飛行任務(wù)告捷。

據(jù)CCTV報道，此次在新一代載人飛船試驗船上還搭載了一臺“3D打印機(jī)”，這是我國首次太空3D打印實驗，也是國際上第一次在太空中開展連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印實驗。

我國成功完成首次太空“3D打印”

這次打印的對象有兩個，一個是蜂窩結(jié)構(gòu)（代表航天器輕量化結(jié)構(gòu)），另外一個是CASC（中國航天科技集團(tuán)有限公司）標(biāo)志。

科研人員將這臺我國自主研制的“復(fù)合材料空間3D打印系統(tǒng)”安裝在試驗船返回艙中。飛行期間，該系統(tǒng)自主完成了連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的樣件打印，并驗證了微重力環(huán)境下復(fù)合材料3D打印的科學(xué)實驗?zāi)繕?biāo)。

據(jù)了解，連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是當(dāng)前國內(nèi)外航天器結(jié)構(gòu)的主要材料，密度低、強(qiáng)度高，開展復(fù)合材料空間3D打印技術(shù)研究，對于未來空間站長期在軌運行、發(fā)展空間超大型結(jié)構(gòu)在軌制造，具有重要意義。
據(jù)悉，這套復(fù)合材料空間3D打印系統(tǒng)出自航天五院529廠。另外，這次長征五號B的任務(wù)，還有其他的3D打印任務(wù)。 中科院空間應(yīng)用中心的太空3D打印研究 為進(jìn)一步提升制造精度、擴(kuò)大可用于太空制造的材料譜系，由中科院空間應(yīng)用中心研究團(tuán)隊研制的“在軌精細(xì)成型實驗裝置”將創(chuàng)新采用立體光刻3D打印技術(shù)對金屬/陶瓷復(fù)合材料進(jìn)行微米級精度的在軌制造。 太空失重環(huán)境是立體光刻技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)之一，普通的打印漿料在失重條件下無法保持穩(wěn)定形態(tài)，會發(fā)生爬壁導(dǎo)致液面起伏影響打印；通過國內(nèi)外失重飛機(jī)，先后進(jìn)行了數(shù)百次微重力環(huán)境下的實驗，對漿料在失重條件下的流變行為及內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行了分析，利用化學(xué)及物理方法對漿料進(jìn)行優(yōu)化使其從液態(tài)變?yōu)檐浳镔|(zhì)形態(tài)，軟物質(zhì)特有的屈服應(yīng)力在失重條件下抵抗形變，抑制爬壁，且在較高剪切力作用下其又可以恢復(fù)良好的流動性，保證了3D打印順利進(jìn)行。

△2018年中科院太空制造技術(shù)重點實驗室在微重力下試驗3D打印 據(jù)了解，中國科學(xué)院太空制造技術(shù)重點實驗室（CAS Key Laboratory of Space Manufacturing Technology, SMT）成立于2017年底，依托中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心，是一個以“太空制造技術(shù)”為研究專題的科研實體。 早在2018年6月13日，中科院太空制造技術(shù)重點實驗室（依托單位為空間應(yīng)用中心）科研人員在瑞士杜本多夫利用歐洲失重飛機(jī)圓滿完成了國際首次微重力環(huán)境下陶瓷材料立體光刻成形技術(shù)試驗和基于陶瓷模具的金屬材料微重力環(huán)境下鑄造技術(shù)試驗，獲得多個完好的制造樣品及豐富的實驗數(shù)據(jù)。

△微重力下光固化3D打印陶瓷樣件

△微重力下3D打印金屬樣件

太空3D打印的作用和優(yōu)勢 般來說，當(dāng)國際空間站內(nèi)缺少某種工具或部件時，宇航員們就得花上數(shù)周甚至數(shù)月等待地面送來物資補(bǔ)給。有了太空3D打印機(jī)，技術(shù)人員在地球上設(shè)定出物品的制造程序（也就是設(shè)計模型文件），然后用電子郵件發(fā)送至國際空間站，整個過程耗時不到一周；而實際打印時間只有約4小時。無論是美國，還是歐洲，還是俄羅斯，都在太空3D打印領(lǐng)域投入了熱情的研究。 除了時間成本，太空3D打印所節(jié)約的運輸成本同樣可觀?？臻g站、基地或復(fù)雜航天器的系統(tǒng)由許多部分組成。盡管在建造時就力求可靠，但仍然面臨著零件損壞、系統(tǒng)升級等問題。如果攜帶大量預(yù)制零件進(jìn)入太空，就會大大增加高昂的發(fā)射費用。如采用太空3D打印技術(shù)，只需將原材料和輕型打印機(jī)帶入太空，從而就地制造所需零部件，最大限度減少發(fā)射重量并提高工作效率。未來，當(dāng)人類能夠從其他星球表面開采原材料時，還能在太空建立“零件工廠”，進(jìn)一步減輕航天器的發(fā)射重量，節(jié)約空間。

△配圖：美國NASA國際空間站上的太空3D打印機(jī)，使用到的技術(shù)是FDM熔融擠出，通過噴頭加熱，高分子聚合物線材熔化成液態(tài)，然后靠機(jī)械力從噴頭擠出來，層層堆疊成型。圖片來源NASA

2014年，NASA研制的世界上首臺太空3D打印機(jī)抵達(dá)國際空間站，揭開了人類“太空制造”的序幕。 3D打印技術(shù)在太空的操作環(huán)境與地球大不相同，技術(shù)難度也不一。在地球上，依靠重力，3D打印機(jī)擠出的加熱塑料、金屬或其他材料能自然地沉積，一層一層打印出三維物體。而在太空零重力條件下，需要使用以給定速率旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)來確保材料沉積到位，或者修改3D打印的過程來使設(shè)備平穩(wěn)運行。不過，原本基于地球的3D打印技術(shù)更容易適應(yīng)有著微重力環(huán)境的月球和火星。