在太空手搓建材，3D打印有多神奇

近年来，随着深空探测的不断拓展，地面制造和轨道运输的资源补给模式逐渐暴露其局限性。尽管商业航天领域已在不断压缩发射周期、提高资源复用率，但目前想要把物资通过火箭发射运上太空，仍面临成本高、响应慢等问题。于是，人们想到通过直接在太空制造来取代运输，最可行的手段就是太空3D打印。

太空3D打印，又称太空在轨增材制造，既然是制造，一定需要用到原材料，在覆盖全材料的在轨制造体系中，太空金属3D打印是难度最高、战略价值最大的核心分支。它特指以不锈钢、钛合金、铝合金等金属及合金为原料，在太空环境下完成的在轨增材制造，也是太空 3D打印从非金属辅助件向金属核心承力件跨越的关键。

突破金属打印的意义

太空3D打印的实践探索，要从2014年开始讲起，当然，在此之前行业已经历长达二十余年的早期理论研究阶段，这一年，人类首次将3D打印机发射上太空，并在国际空间站成功打印出了扳手等多个工具和零部件。

国际空间站上利用3D打印机制造的太空中第一个金属部件

国际空间站上的首台金属3D打印机

自此，看到太空打印可行性的人们开始研究如何在太空环境中打印更复杂的其他物体，如生物组织、建筑材料，这样就能支持宇航员在空间站完成更多生物实验，甚至直接就地利用月壤来制作建筑材料，搭建未来的月球基地。

而想要制作可搭建基地的承力备件，必须有金属和金属合金的参与，这就是太空金属3D打印技术的战略意义所在。

以往在太空用非金属材料只能制作一些应急工具、实验样品和辅助构件，应用相当局限。而金属的强度、导电性和刚性可以将太空3D打印的潜力无限放大，不仅可制造搭建月球基地所需的金属结构，还能解决航天器上各种零部件的补给问题。一旦空间站、卫星、深空探测器等核心构件都能实现在轨制造，人们就不用通过地面生产+火箭发射的途径来解决航天器的设备维修与更换。

这一方面降低了空间站的运营成本，并提高了在轨设备维修调试的灵活性；另一方面也使零部件的制造摆脱了运输条件限制，因为若要通过火箭运载必须考虑到零部件的尺寸能不能放进舱、负载重量能否支持顺利发射的问题，但直接在天上造就没有这个困扰。

可喜的是，这个理论构想正在变为现实。1月12日，由中国科学院力学研究所自主研制的金属增材制造返回式科学实验载荷，搭载于中科宇航力鸿一号遥一飞行器，成功在太空完成金属3D打印实验，我国首次在轨制造出完整的金属构件。

1月22日，搭载于力鸿一号飞行器的微重力激光增材制造返回式科学实验载荷完成开舱交付

太空打印vs地面打印

要实现太空金属3D打印要突破哪些难关，它与早已实现并趋于成熟的地面3D打印又有何不同？

3D打印按数字模型逐层堆叠的原理想必大家已不陌生，金属3D打印的特点是用高能热源熔化金属原料再凝固成型，根据不同能量源、材料和成型路径，可分为多种工艺，而目前主流的工艺方式有两种，一是激光粉末床熔融（L-PBF），二是激光定向能量沉积（DED）。

前者是指将金属粉末铺在构建平台上，用激光束按照各层截面数据，有选择性地熔化粉末床内的指定区域，层层融合后最终形成零件造型，这也是目前应用最广泛的技术路线。后者则采用动态送料的成型方式，用高功率激光照射固态金属丝端头，让它瞬间熔化成液态熔池，再与已打印的金属层融合，这样不断冷却固化、逐层堆积就形成了最终构件。

要在太空实现金属3D打印，面临的核心难点在于太空的微重力环境。在地面上，金属打印的成型有重力参与，人们可以轻松主导材料的定位和流动。但在太空打印时，材料的成型逻辑完全不同，微重力状态下金属粉末极易飘散，不仅难以成型，还会污染设备和舱内环境，造成很大安全隐患。金属丝材虽更安全，但微重力下的精密送丝、防缠绕难度极大，液态熔池也容易悬浮扩散，就像我们在广告片里看到在太空舱里到处飘浮的水珠一样，金属熔滴也会到处乱窜。

同时，失去重力约束后，熔融金属中的气泡无法通过上浮排出，冷却留下之后就会形成孔隙和裂纹，降低金属构件的强度和韧性。

此外，太空环境与地面的热管理系统也大有不同。

地面上，空气对流高效，可快速散热，但在太空的真空环境下，对流散热失灵了，热量只能通过辐射和传导缓慢散出，导致熔池过热引发变形。并且如果是相同的工艺参数，由于太空打印件的最高温度显著高于地面，它的热应力分布就会完全不同，这样就必须重新设计辐射散热系统和温度闭环控制，防止热量积累导致零件变形和性能劣化。

由此可见，太空金属3D打印作为在轨增材制造体系里最难攻克的壁垒，想要实现工程化落地，必须跨越不少技术难关。

我国主要聚焦丝材DED技术路线，通过电磁力辅助送丝来解决上述问题，也就是通过电磁吸附来控制成型环节，防止金属丝材和熔滴悬浮乱飘，同时开发全流程闭环的自适应系统，实时监测丝材位置和熔池形态，并通过高清相机和红外传感器监控材料的温度，一旦位置偏移或温度过热，立即动态调整送丝速度、激光扫描路径和功率，达到精准定位和分区控温。

此次实验成功，意味着我国太空金属增材制造技术正式迈入“太空工程验证”新阶段，也标志着我国在该领域已达到世界领先水平，这为后续空间站在轨制造，以及深空探测的原位资源利用奠定了坚实基础。

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本文转载自“电脑报少年派”，原标题《在太空手搓建材，3D打印有多神奇》。

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