综述：空间3D打印技术现状与前景

综述：空间3D打印技术现状与前景随着航天技术的发展，探索深空、建设地外星体基地乃至移民等逐渐提上研究日程，涉及实现长期在轨居留的物资和生命保障、空间应用设施(卫星）的建造、太阳系内星球探索基地建设和运行，很大程度依赖于如何实现高效、可靠、低成本的“空间制造”，从而克服现有火箭运载方式在载重、体积、成本上对空间探索活动的限制，以获得深空探索所需的运载平台、工具与装备。空间制造可直接利用太阳能、原材料等空间资源，实现自我维持；同时，空间微重力环境使得原位制造、组装超大尺寸构件成为可能。3D打印技术与传统减材或等材制造相比,3D打印技术消除了加工过程对中间模具的需求，能够进行快速需求响应，具有单件小批量定制化快速制造的优势，较适合空间制造需求。目前，我国正在推进载人航天与空间站建设、月球探测等计划，具备“空间制造”能力至关重要，实现大尺寸功能构件的空间制造、月球资源利用与原位制造，对我国空间探索具有十分重要的推动作用与战略意义。根据空间探索对增材制造技术的不同需求，空间增材制造技术的应用环境可以划分为空间舱内环境、在轨原位环境、星球基地环境等三种环境约束条件。本文将围绕这三种环境约束条件，分别对舱内增材制造、在轨原位增材建造、月球现场增材制造等三个方面国内外的前沿探索进行综述，进而对所面临的关键问题进行分析与讨论。2舱内增材制造2.1微重力电子束熔丝沉积NASA兰利研究中心围绕金属零件的空间3D打印开展了研究，开发了一套适用于空间飞行的轻型电子束熔丝沉积成形设备（EBF3)，如图1所示。该轻型设备采用900mm直径铝合金成型腔，腔体压力可以达到1〇4Pa，利用3?5kW小型电子束枪作为能量源，沉积平台可以在300x300x150mm空间移动，以直径0.8mm铝合金2319(A12319)丝材作为原材料进行沉积。研究人员在NASA的C-9微重力研究飞机上开展了拋物线飞行试验，研究微重力环境对电子束熔丝沉积工艺及零件性能的影响。研究对比了0g、1g、2g条件下，电子束熔丝沉积成形零件的微观结构、尺寸精度之间的关系，如图2.a所示，并优化了工艺参数，最终通过两次飞行计划获得了总高为30mm的圆柱体薄壁零件，如图2.b所示，验证了0g·条件下进行电子束熔丝沉积工艺的可行性。2.2微重力熔融沉积NASA马歇尔飞行中心从1993年开始关注高分子材料熔融沉积制造工艺的空间适用性，并对石蜡、尼龙、ABS、（PPSF)、PC以及Ultem9085等一系列高分子材料开展了空间环境及毒性水平研究，于1999年选用ABS和Ultem9085在KC-135飞机上开展了拋物线飞行试验，完成了1h20min的无重力试验，初步验证了微重力熔融沉2014年11月25日，NASA与MadeInSpace公司合作实现了全球首次空间3D打印，在国际空间站的微重力科学手套箱（MSG)中成功打印了印有“MADEINSPACE/NASA”字样的铭牌（图3.a)，并在国际空间站制造了约20个结构样件，这些结构样件被分成材料性能测试、微重力环境下的成形性能测试、结构工具的功能测试共三类(图3.b)，将用于和地面3D打印样件进行全面对比分析，研究空间环境对3D打印工艺及零件性能的影响规律。在欧洲，由欧洲宇航局授权意大利Altran公司研制的ESA第一台空间3D打印机POP3D(PortableOn-BoardPrinter)也已经完成样机的开发工作，在2015年被送往国际空间站。POP3D打印机在运行时需要的电量非常小，其质量大约为5.5kg，使用的原材料是可生物降解的PLA线材。2.3面向空间应用环境的高性能复合材料如2.2小节所述，目前在轨试验以工程塑料如ABS、PLA等作为原材料，采用熔融沉积工艺进行塑料零件的制造，很难实现高性能零件的制造。为了克服该工艺瓶颈，实现高性能材料功能零件的空间快速制造，西安交通大学提出了连续纤维增强复合材料3D打印新工艺方法，初步完成了复合材料3D打印喷头的试制，搭建了实验平台，如图4.a所示，验证了连续纤维增强热塑性复合材料3D打印机理的可行性，工作过程及打印样件如图4.b所示;研究了3D打印10wt%CF/ABS复合材料样件的力学性能，测试结果表明其平均抗弯强度达到127MPa，远大于传统ABS零件，略低于同类传统复合材料约140MPa;抗拉强度比熔融沉积3D打印ABS样件提高了6倍，是注塑成形ABS样件的3倍，但仍低于传统CF/ABS样件，纤维拔出、断裂是3D打印复合材料的抗拉破坏形式，如图5.a所示;初步验证了3D打印复合材料工艺可行性，证明了纤维增强效果；同时，也发现存在纤维束/基体熔融浸渍不充分、剥离等关键问题有待解决，如图5.b所示。2.4空间废弃物利用再制造工艺为了满足空间废弃材料回收循环利用的需求，实现空间材料利用的最大化，美国的MadelnS-pace公司正在研发原材料回收循环再利用装置，用于将使用完毕或损坏废弃的零件材料进行回收并制成丝材，以便再次用于空间在轨3D打印。针对2.3中所制造的连续纤维增强热塑性复合材料，由于其3D打印工艺过程是按照一定的打印路径采用逐层累加的方式进行打印的，复合材料中的纤维是按照连续有序的方式进行排列的，基于该工艺原理，西安交通大学初步探索了CF/PLA零件的纤维回收再制造技术。如图6(a)所示，该技术采用热风枪非接触式加热熔融的方式沿着逆打印路径，将连续纤维从工件中一层一层抽离出来，通过模具重新成型为复合材料丝材，如图6(b)所示，并再次用于连续纤维增强复合材料制件的3D打印制造，如图6(c)所示，可以很好地实现连续纤维的回收与复合材料再制造，最大化连续纤维的使用效率，同时降低对环境的二次污染。高性能复合材料的回收再制造技术实现废弃物的零排放回收再制造，突破空间环境资源缺乏的瓶颈，十分重要。初步实验结果表明，采用回收后的复合材料预浸丝作为原材料进行再制造，获得零件的力学性能比首次打印件提高了约25%，热循环过程导致的基体材料老化现象仍在研究过程中。3在轨原位增材建造3.1空间环境原位3D打印目前大型航天器结构件均采用可展开结构，先在地面上建造完成，折叠放入运载火箭保护罩，入轨后展开，结构尺寸受到运载火箭保护罩体积与有效载荷的限制，且耗资巨大。2013年，NASA选定美国TethersUnlimited公司的SpiderFab技术做为外空间航天器大型结构的在轨制造解决方案?，该公司提出一种以热塑性纤维预浸带或复合纤维束为原材料，进行熔融挤出复合材料管材的工艺，在空间进行复合材料管材挤出成形，并采用蜘蛛机器人（SpiderFab)进行组装焊接的组合工艺，进行大型桁架结构的制造，如图7所示。SpiderFab技术使飞船能够在轨道上使用“Trusse-lat〇r?”3D打印和机器人技术，在空间建造和组装大型结构，例如天线、太阳能电池板、花朵型遮星板、传感器桅杆、轨道侧支索等。3.2面向空间的多用途柔性3D打印系统西安交通大学开展了多自由度3D打印技术的研究，设计了3D打印工具箱模块，提出将该模块作为舱外机械手的工具箱配件，实现舱外空间3D打印功能。目前，已经于地面上组装了3D打印工具箱模块，并用手持的方式模拟了机械手的抓取、打印等动作，初步验证研究的可行性。在此基础上，搭建了多自由度3D打印原理样机，如图8所示，可实现空间区域内的六自由度3D打印。同时，根据空间复杂环境，初步制定了面向空间极端环境的3D打印策略，并进行相关试验验证。4月球原位3D打印在美国重返月球计划（星座计划）支持下，NASA马歇尔空间飞行中心围绕空间原位制造和修复（In-SituFabricationandRepair，ISFR)[12]以及空间原位资源利用（In-SituResourceUtilization，ISRU)开展了系统研究。ISFR/ISRU的研究主要围绕空间制造技术评估、空间资源利用可行性分析、地面验证试验等开展了系统研究，并针对电子束熔化（ElectronBeamMelting，EBM)技术、混凝土挤出(ConcreteExtrusionSystem)工艺、月壤资源利用等增材制造工艺与材料方面开展了系统研究。4.1月壤高能束选区烧结NASA马歇尔空间飞行中心开展的月壤电子束选区烧结工艺可行性研究发现，月壤矿物组成中包含了大量铝、钛、铁等元素，月壤选区烧结的最大优势是可以直接使用月球表面原材料进行3D打印制造，但所面临的问题是:如何优化工艺，获取足够强度的零件结构，避免如传统陶瓷烧结所同样面临的材料脆性问题(如图9.a所示，可观察到大量玻璃态物质析出）。为了避免该问题，NASA研究人员采用铝粉作为粘结剂与模拟月壤混合进行了电子束选区烧结实验，样件微观结构如图9.b所示，铝粉熔化并对月壤进行了包围连接，但未见有力学性能的相关数据报道[17]。4.2月壤挤出成形工艺NASA马歇尔空间飞行中心开展了基于月壤的无水水泥制备与性能、混凝土挤出成形工艺两方面的研究。NASA与Tou-tanji等人合作开展无水水泥的研制与性能评估工作，研究团队采用可从月壤中提取的硫磺作为粘结剂，与模拟月壤材料混合，制备出一种硫磺水泥，又称为月壤水泥（Lunarcrete)，与传统的水基水泥不同，硫磺水泥混合物被加热到硫磺熔点(140°C)之上，然后进行冷却，瞬间即可达到其最佳力学性能，从而获得一种无水的混凝土结构。与此同时，NASA与南加州大学合作开展相应的混凝土挤出成形系统(ExtrudedConcreteSystem，或ContourCrafting)，如图10所示，实现混凝土结构的近净成形，并开展地面试验，验证该套装备在月球或火星的适用性。4.3月壤无机粘结剂3D打印欧洲宇航局（EuropeanSpaceAgency，ESA)资助，由英国Foster+Partners公司、Monolite公司、意大利AltaSpA公司、比萨大学等组成的研究团队，专门研究如何就地取材，在月球上建立可供人类居住的基地[19]，该研究团队采用英国Monolite公司研制的基于D-shape技术的3D打印机实现穹顶建造，该设备基于一个6m宽的框架(如图11.a所示），打印机的喷头阵列在框架内移动，每次打印的单层厚度是5?10mm，把无机粘结剂溶液喷到沙粒状的建筑材料上，溶液和沙粒一起反应凝固可形成大理石质地的坚固结构体，该研究团队利用模拟月壤进行了地面测试，打印出了蜂窝结构构件，如图11.b所示。5空间3D打印的技术挑战与前景5.1空间3D打印技术挑战空间极端环境条件，如高真空、微重力、高辐射、极端温度以及装备负载功率要求等，对3D打印工艺和材料提出了苛刻的要求，如何利用空间环境资源，开发出适用于空间制造的3D打印工艺、装备与材料至关重要。空间高真空条件（真空度小于10-5Pa)为3D打印过程提供了一个优异的制造环境，可避免地面制造过程中氧化、气孔夹杂等对零件性能的影响。尽管如此，舱外极端环境条件仍给空间3D打印技术带来了巨大的挑战，主要体现在如下几个方面：1)微重力：空间微重力环境对3D打印原料形态、工艺装备类型提出了新要求，微重力环境对3D打印工艺的传热及材料凝固过程的影响规律尚未明确，对3D打印零件性能的影响规律仍需进一^步探索；2)极端温度：空间高真空、高太阳辐射条下，背阴/照射面温度变化范围可达到-100?-200°C/100°C，极端温差导致3D打印温度场的极度不均匀；3)能源利用：按照空间设施建设标准规空间单台设备功率应低于1000W，要满足3D打印工艺过程及其温度场控制对能量的需求，必须采取新的能源利用方式与温度控制策略；4)材料:空间3D打印所使用材料应满足质、高强度、耐极端温度、耐空间射线辐射等要求，甚至还需要高效回收再制造，需解决空间原位材料利用问题。同时，现有地面使用的3D打印装备质量与体积一般较大，能耗较高，很难适应空间飞行的需要，必须在质量、体积及能耗等方面对3D打印设备进行重新设计，使其能够承受有效载荷发射时的恶劣工况，且尽可能降低设备的故障率。5.2空间3D打印技术前景为实现太空制造技术，NASA提出了著名的“Ma