空間在軌3D打印進(jìn)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(jìn)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(xué)院沈陽自動化研究所，機(jī)器人學(xué)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(jìn)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(jì)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(jìn)行零部件的原位制造。由于其顯著的經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(jī)實現(xiàn)在軌試驗。2017年，美國太空制造公司采用擴(kuò)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(jī)（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(jī)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(jī)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(kuò)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(jìn)行整理。路易斯維爾大學(xué)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(jī)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(kuò)展性。圖3為用火神原型機(jī)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(jìn)行了金屬3D打印試驗。

2.3 生物復(fù)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(jìn)生物復(fù)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(xì)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(yù)計，如果生物衍生材料空間3D打印技術(shù)能夠成功應(yīng)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(xué)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(jī)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(xué)（University of Warwick）發(fā)明的一種可導(dǎo)電的炭黑和不導(dǎo)電的塑料集合物組成的復(fù)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(yīng)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(xué)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(jī)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(yīng)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(xì)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?？臻g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(dǎo)致流體形態(tài)和物理/化學(xué)過程等發(fā)生顯著變化，影響或改變材料流動機(jī)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??；對零件性能的影響：微重力環(huán)境下3D打印由于成形機(jī)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(dǎo)和對流的換熱效應(yīng)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(hù)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(fù)擔(dān)，要求作業(yè)過程全自動化，具有基于地球遠(yuǎn)程操控的能力。

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

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?？臻g3D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(fēng)險進(jìn)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(fù)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)。

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(fù)合材料的3D打印方法目前研究的成熟度較低，有待進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)、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(tuán)隊需要與空間結(jié)構(gòu)設(shè)計團(tuán)隊開展合作，以便使在軌3D打印技術(shù)的空間應(yīng)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(yīng)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(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(xué)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