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3D打印技术在太空的应用

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张天驰

2016年3月26日，北京时间18时51分，“天鹅座”货运飞船与国际空间站完成了对接。在这艘飞船上，运载有美国研制的第二台空间3D打印机。自此，国际空间站上已经拥有了三台3D打印设备。科学家们将利用这些设备，实现空间制造，探寻解决人类在太空中长久生活的难题。

3D打印技术，不仅可以大幅度减少成本、节约时间，更能制造出满足设计人员需要的几乎任意形状的产品，与航天制造要求不谋而合，得到了全世界各航天大国的重视。近年，美、欧、日等国家或组织都在积极探索3D打印技术在航天领域的研究与应用。调查显示，其在航空航天工业领域的应用份额已占全部应用领域的10%以上。如今，航天领域对3D打印技术已不满足于地面的生产制造，随着第一件太空3D打印零件的诞生，人类又遇到了一个新的课题：如何在太空中制造所需的产品。

3D打印走向太空

2014年11月24日，国际空间站的航天员们利用3D打印技术，制造出第一把“太空工具”——扳手。3D打印的压制材质选用熔点较低的塑胶，为了避免功能异常带来的人员伤害，全程在手套箱中试验。部件尺寸为7.6厘米×3.8厘米×0.6厘米，印着“太空制造／NASA”字样的铭牌，打印工作用时1个小时。至此，人类迈出了3D打印技术在空间环境中应用的第一步。

换品用完了，那么航天员们只能等待几周或数月后运送物资的货运飞船运来缺少的零部件。这样一来，不仅会对相应的科学研究计划带来严重影响，甚至会危及航天员的生命安全。如果空间站具备了自主3D打印零件的能力，从地球向太空运送工具与零件的次数将会大大减少，空间站的自给自足可能成为现实。甚至可以预见，随着技术的进步，在解决一系列难题后，3D打印将可以直接在太空中制造航天器。

对于月球基地来说，替用零部件的运输成本更高、周期更长、难度更大，基地对物资的自主生产能力要求更高，由此可见，3D打印技术在月球基地会有更广阔的应用前景。不只局限于工具及零件的生产，随着技术的发展，3D打印技术更可以直接参与到基地的建设。

至于更遥远的深空探测，仪器发生故障需要维修时，从地球发射替换件将十分困难，使用3D打印技术可以完美地解决这一问题；同样，因为有了空间3D打印技术，许多物品无需在发射时就准备好，只需备好材料和图纸，必要的时候就能打印出来。可以预见，空间3D打印的成功实现甚至将成为深空探测的必备条件。

出于对3D打印技术的广泛看好，欧美等国家正积极参与到空间3D打印技术的研发与应用之中。2015年12月6日，第一台来自欧洲的3D打印机“POP3D”由天鹅座飞船送往国际空间站。2016年3月26日，美国运送第二台3D打印设备的飞船也已完成了与空间站的交会对接。与第一台相比，这台3D打印机体积是前者的两倍，将能制造更大尺寸的设备。

空间3D打印的优势

1．从设计到制造的快捷性

以NASA的太空扳手为例，该部件从地面设计人员开始设计到使用3D打印机制造只用了不到2周的时间，实际生产的过程仅仅用时4小时。可以说，对于成熟的器件，空间站中从无到有的生产耗时仅仅与该部件的大小有关，其便捷程度远超现在的物资运输方式——运载火箭。

2．成本低

太空中进行3D打印的成本优势体现在两个方面。首先是制造工艺上的优越性，3D打印的产品对后续机加工等工艺的要求极低，自动化程度高，速度快，进而使制造成本降低。研究表明，从生产制造的角度把3D打印与传统制造业相比，3D打印有望节省人力资源75%～85%，减少工艺装备70%以上，降低50%～70%传统航材的消耗和能源消耗。

3．减轻零部件质量

航天器的质量是航天领域的核心问题，所有结构机构的设计都要把减重放在前位。在地面制造零部件时，考虑到搭载火箭发射升空所要承受的过载与振动，结构与机构必须保证必要的强度和刚度、稳定性等力学性能，这就不可避免地使零部件的质量增大。选择在空间站中直接生产零部件，便无需考虑这种问题，这样一来，零部件的设计便可得到很大的简化，继而达到减重的目标。

4．可用于生产复杂的结构系统

对于复杂的大型结构系统，地面生产主要面临两方面难题：一是制造困难，现有的加工工艺很难达到发射升空的各项要求；其次是运载火箭的限制，包括火箭的运载能力的限制以及整流罩的容积对有效载荷的限制。通过在空间站中使用3D打印技术，火箭整流罩容积与有效载荷规模与形状的矛盾将有效缓解，为超大、超长尺寸物体的运载难题提供了解决方案。

美国TethersUnlimited公司开发了一个叫做“SpiderFab”的空间制造系统，这种机器人可以在地球轨道或者更远的地方建造空间设施。SpiderFab机器人概念的核心是一个多机械臂的机器人，用一个“喷丝头”制造结构单元，然后再把这些结构单元一个一个