中國首次太空3D列印的兩個樣件 | 中國空間技術研究院
作者 | 楊懷超 張昊
責編 | 高佩雯
5月5日，長徵五號B火箭將中國新一代載人飛船試驗船送上太空。在經歷了三天的太空遨遊後，5月8日，返回艙成功返回東風著陸場。除了搭載的一臺中國自主研製的「複合材料空間3D印表機」，還帶回了在軌列印的兩個樣件。
這是全球首次實現連續碳纖維增強複合材料的太空3D列印，引起一大波關注。
在軌3D列印進行中，來源：央視新聞
最近十幾年，3D列印遍地開花，很多人都說它會掀起「第四次工業革命」。這麼厲害的技術，到底是什麼樣的？這個名字很長的材料是什麼？為什麼一定要跑到太空中做試驗呢？
專為「複雜結構」而生的3D列印技術
先說技術。3D列印本質上是一種逐層製造技術，又稱增材製造技術，字面意思，就是製造過程中材料是往上加的。與之對應的是傳統的減材製造技術，如車、銑、刨、磨等，材料是往下減的。
相比傳統技術，3D列印能夠輕而易舉地製造一些具有複雜結構的模型，可極大擴展設計師的思路。比如下面這對棋子，西洋棋的王和後。左邊棋子外形相對簡單，用減材製造方式、拿兩根圓柱用車床沿著外輪廓劃一圈，就完成了。但如果這對棋子設計得更複雜一些，變成右圖的樣子，傳統方法就比較困難了，即便能做出來，造價也非常高昂。
普通棋子（左）和3D列印棋子（右） | 作者供圖
但如果採用3D列印方式，就沒有那麼貴了。至少能把費用控制在可接受的範圍內。這是為什麼呢？
技術原理決定成本範圍
3D列印技術不是一種技術，而是一類技術。其歷史可追溯到1960s，最早的商業化設備則由美國人Charles W. Hull 在1987年前後推出，稱作 SLA-1，即立體光刻。其工序可代表整個3D列印技術的基本思路。
光刻是利用材料的感光特性，通過光照改變其物理/化學性質，將被光照和未被光照的部分分開，以達到成型效果。比如，某種材料被光照之後會變得易溶，只要把想要的部分遮住，再曝光，就可以把多餘的部分洗掉。
立體光刻也是基於類似的原理，不過它是將製品的數字模型分割成很多薄層，然後從最底層開始，一層一層地加工出來，最後形成一個立體製品。
具體而言，列印設備會包含一個液體槽，裡面有一種特殊液體。這種液體受到紫外線雷射照射會變成固體，而沒有被照射到的地方仍然保持液體狀態。列印的時候，紫外線雷射會按照薄層的形狀進行塗抹，液體同時完成凝固。一層列印完之後，列印平臺（雷射照射）上升，接著固化下一層，直到所有薄層全部完成。
用SLA列印的模型，表面光滑細膩，上色後質感絕佳，幾乎可以以假亂真。|作者供圖
這是最早的商業化技術。其他技術也都使用類似的思路。比如，和立體光刻幾乎同時發展起來的熔融沉積成型（FDM）技術和選擇性雷射燒結（SLS）技術。
這次飛行任務採用的就是熔融沉積成型技術。我們來看它的技術實現原理，和立體光刻可以說有異曲同工之妙。
熔融沉積成型技術是目前最常見的一種3D列印技術，看名字就知道是把某種材料加熱融化，然後一點點堆起來，固化成型。
常用的熔融沉積原材料以熱塑性的高分子絲材（即加工成絲狀的材料）為主，這樣比較方便加熱。一般選用玻璃化轉變溫度較低（可以理解為融化溫度較低）的材料，比如聚乳酸、ABS樹脂等。目前也發展到複合材料、金屬材料和陶瓷材料等。
熔融沉積成型技術在進行3D列印時，位於「列印頭」的絲材會被炙熱的噴嘴加熱軟化，然後噴出去，附著在較冷的平面，快速冷卻定型。噴嘴全程受計算機控制，沿著設定好的路線一步步移動，留下凝固的絲材。整個過程也是分層完成的，印完一層，工作檯便下降再印一層，直到形成一個實體模型。
FDM成型過程 | 作者供圖
容易看出，無論是立體光刻，還是熔融沉積成型，它們對模型的「複雜度」都是不挑的。因為，無論模型簡單或複雜，工序其實都差不多。這也決定了3D列印在製作簡單物件，不會太便宜，但列印複雜物件時，價格也不會提升太多。
多種技術強化材料性能
由於3D列印對材料的一些性質，例如熱塑或光敏性有要求，所以在其他方面會有所取捨，也因此產生了一些材料強化技術。比如，使用纖維增強的方式對熔融沉積成型的樹脂基材進行強化，令列印出來的部件結構強度更高。
這種技術將玻璃纖維或者碳纖維混入絲材原料，就好像在水泥中布置了鋼筋。經過強化之後的部件，部分力學性能可媲美鋁合金，而重量卻只有鋁合金的一半，可用於多種太空場景。
本次太空3D列印使用的連續碳纖維增強複合材料，就是這樣一種強化材料。它不僅本身重量很輕，因為3D列印在結構設計上自由度很高（比如列印成蜂窩結構），也為減重和輕量化提供了進一步的可能。
本次在軌3D列印的兩個樣件，一個是蜂窩結構（代表太空飛行器輕量化結構），另一個是CASC（中國航天科技集團有限公司）標誌 | 中國空間技術研究院
讓航天任務更靈活、更輕便
了解了3D列印的特徵，其在航空航天領域的應用前景就不言而喻了。在航空航天領域，零部件在追求輕質和減重方向上可以說是斤斤計較，甚至是「克克必爭」。在保證設計強度的條件下，零部件每減少1千克重量，取得的經濟效益就可能高達幾十萬元。
但它的優勢絕不止于于輕，而是綜合了省時、省力、省物料。3D列印超高的製造自由度，讓它成為航天領域的大熱門，一臺印表機加一些原材料，就可以讓航天員實現很多夢想。
比如，在未來的太空任務中，一旦發生空間站某些器件需要替換的情況，航天員們就可以使用3D列印技術，第一時間得到新的替換件。執飛任務時，也無需從地面攜帶大量備用品上天，只要把3D印表機和所需的列印材料帶上即可。
3D列印所需的圖紙模型，可以提前儲存在船載電腦中，如有新部件或者新改型的需要，也可以由地面直接傳送新設計。假若在火星或者月球上建立了太空據點，可以把全套3D列印裝備都運過去，直接在太空中成立物資生產基地。
不用天上地下的來回「送快遞」，也不用苦等「收快遞」，太空任務方便了不止一點點，節約的發射成本更是不可估量。
3D列印可為未來航天任務提供極大便利 | instagram
從太空試驗，走向太空實踐
不過，以上只是一種想像，回到現實中，太空3D列印可比在地球上難得多了。一個最緊要的影響因素，就是重力。
在地球重力環境下，3D列印過程中使用的熔化樹脂（或其他漿料）可以很自然地沉積成型，可是太空中卻缺乏這樣的環境。如何保證材料乖乖堆砌，而不要「放飛自我」呢？
這就需要精確地控制好材料在噴頭熔融時的粘度，以及噴出後的固化速率。只有適宜的粘度才能保證材料既能順利噴出，又不至於像水滴一樣飛散。而合適的固化速率能保證材料牢固地附著於基材，並實現層層堆砌。
從這次太空試驗的結果來看，我國科學家很好地突破了這一難關。他們一定經歷了很多實踐，才最終選定了所用樹脂的添加劑，並找到了合適配比，同時解決了該技術的一系列其他問題。
3D列印技術是美、俄、歐等航天大戶都在鑽研的技術，這次在軌試驗成功，充分彰顯了我國在該領域的實力。希望這項技術能早日用於我國的航天實踐，在空間站、探月、探火任務中大放異彩。
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