商業篇 | 太空製造開啟材料「智造」

在太空進行實驗探索相信對大家來說已經並不陌生了，但在太空進行的探索卻不只實驗而已，高真空、微重力、超低溫和無限太陽能這些同時並存的環境為材料科學提供了創新的方向和可能，這些太空製造極大推動了材料科學的發展。

ISS 源自網絡

NASA是最早開展太空製造技術研究並且目前取得研究成果最多的機構，已在國際空間站部署了多臺聚合物材料成型製造裝備；中國是世界上第二個完成微重力環境下製造相關技術試驗驗證的國家，如國際首次使用碳纖維複合材料、陶瓷材料及金屬材料進行了微重力下的製造實驗；歐洲航天局(ESA)和俄羅斯聯邦航天局(ROSCOSMOS)也投入了大量人力和財力，開展了一系列太空製造項目研究，利用拋物線飛機試驗、國際空間站平臺開展了多項太空製造技術試驗。

按製造所使用的材料體系，我們以高分子材料、金屬材料、生物材料、陶瓷材料幾個類型進行太空製造技術的介紹。

高分子材料、複合材料製造及循環利用技術

基於熱塑性高分子材料及複合材料進行製造是發展最早、研究最快的太空製造技術之一，主要以熔融沉積技術(FDM)為主。

1993年，NASA馬歇爾飛行中心便開始關注高分子材料熔融沉積製造工藝的空間適用性。自1999年通過KC-135飛機上的拋物線飛行試驗，初步驗證了微重力熔融沉積3D列印技術的可行性後，NASA於2011年啟動「在國際空間站試驗零重力環境下的3D列印技術」項目, 旨在開展微重力環境下的增材製造技術研究。通過與太空製造公司(Made In Space)合作，研製出第一臺空間增材製造設備(3D Printer)、第二代增材製造設備(Additive Manufacturing Facility, AMF)，綜合兩個階段在國際空間站的研究成果，NASA得出微重力對於熔融沉積成型過程的影響不大, 但對載荷性能有一定影響的結論。NASA後續資助Tethers公司開展的Refabricator項目在材料類型上更為豐富，兼具高分子材料循環利用與增材製造功能，通過地面對7次材料循環試驗過程中收集擠出的絲材和製備標準樣條的分析研究，量化在回收和列印過程中發生的材料降解利用情況，加深對空間回收過程的理解。

NASA 3臺送往國際空間站的3D印表機 源自《太空製造技術發展現狀與展望》

我國也開展了高分子材料微重力增材製造技術實驗，並首次將碳纖維增強聚乳酸材料用於太空製造技術。2016年3月，中國科學院研究團隊利用拋物線飛機產生的微(低)重力環境成功開展了微重力高分子材料及其碳纖維複合材料增材製造技術驗證，在國際上首次完成碳纖維增強熱塑性複合材料微重力增材製造技術驗證。在拋物線飛行過程中，分別在微重力和正常重力環境下，開展了聚乳酸、碳纖維增強聚乳酸材料的熔融沉積工藝研究，以驗證微重力對熔融沉積製造工藝的影響。

中國科學院微重力3D列印設備(a)、微重力列印樣品(b)及其X射線計算機斷層掃描(XCT)照片(c) 源自《太空製造技

金屬材料製造技術

自2001年起，NASA蘭利研究中心圍繞金屬零件的空間3D列印開展研究，開發了低能耗電子束金屬熔絲製造裝備(Electron Beam Free Form Fabrication, EBF3)，在NASA的C-9微重力研究飛機上開展了拋物線飛行試驗，研究微重力環境對電子束熔絲沉積工藝及零件性能的影響。研究表明, 微重力條件下的金屬熔體表面張力、溼潤性對成型過程起重要作用，列印過程需要列印距離、功率、送料速度等列印工藝參數的匹配。除了EBF3，NASA還委託大學和公司積極開展了多種金屬製造技術研究，如委託Made In Space開展熔融沉積金屬列印技術和超聲增材製造技術、Tethers公司開展的機械臂輔助金屬製造技術以及Techshot公司開展低功率雷射熔絲金屬製造技術等研究項目。

蘭利研究中心研製的EBF3系統(a)及列印頭(b) 源自《太空製造技術發展現狀與展望》

ESA也積極開展了空間金屬材料製造技術研究。英國伯明罕大學、德國聯邦材料研究所(BAM)分別利用金屬熔絲、金屬粉末開展了微重力環境下的金屬3D列印過程研究。2015年，歐洲航天局就和伯明罕大學先進材料和工藝實驗室(AMP Lab)合作研發了直接能量沉積(DED)3D列印技術；2018年，德國聯邦材料研究所與德國克勞斯塔爾工業大學、德國航空航天中心(DLR)合作，開展「失重狀態下的粉末增材製造」項目，實現了微重力金屬粉末3D列印過程，驗證了微重力對粉末金屬3D列印過程的影響。BAM針對空間微重力環境下列印層由於沒有外力作用, 而無法結合在一起的問題, 開發出一種新方法來穩定在微重力環境下的金屬粉末。

BAM拋物線飛行金屬粉末3D列印設備(a)及列印件(b) 源自《太空製造技術發展現狀與展望》

陶瓷材料及軟物質材料的微重力成型

2018年6月，中國科學院研究團隊將精細陶瓷粉末與有機樹脂混合，通過調控流變特性得到了可在微重力環境下有效約束精細粉末的軟物質材料，隨後利用拋物線飛機開展了微重力製造試驗，成為國際上首次開展的微重力環境下陶瓷材料的立體光刻成型技術實驗，這為陶瓷材料在太空環境中的高精度製備開闢了新方法。

陶瓷漿料的立體光刻技術試驗裝置(a)及樣品(b) 源自《太空製造技術發展現狀與展望》

生物組織的在軌構造

2018年底，俄羅斯太空人利用俄羅斯Invitro醫療公司研製的Organ.Aut生物3D印表機，在國際空間站首次在軌列印了實驗鼠的軟骨組織和甲狀腺組織，為在國際空間站上列印出人體器官奠定了技術基礎。

NASA的附屬研究中心BioServe Space Technologies開展名為「磁性3D細胞培養」的研究項目，研究人員認為，在太空中可以有效地培養出與人體內癌細胞的結構更接近的3D癌細胞結構，這一發現將有可能降低抗癌藥物的開發成本，以推進對癌症的治療研究。

美國Allevi公司與Made In Space開展合作，計劃在微重力環境下列印生物材料甚至器官，設計研製了零重力生物擠出機，用活塞驅動注射器列印含有生物材料和細胞的水凝膠，逐層構建組織。

2020年1月，美國Techshot旗下的3D生物印表機(BFF, 3D BioFabrication Facility)在國際空間站美國國家實驗室成功列印了大量人心臟細胞，完成了其目標在太空製造心臟和肺等人體器官的第一步。

俄羅斯宇航局生物印表機(a)、Allevi零重力生物擠出機(b)及3D生物印表機(c) 源自《太空製造技術發展現狀與展

多材料混合製造技術

NASA在空間高分子材料和金屬材料增材製造技術基礎上，支持了「多材料製造實驗室項目」(Multi-material Fabrication Laboratory, FabLab)，旨在研製可同時兼容多種類型材料的在軌製造平臺，並在軌製造金屬和電子元器件載荷，建立太空探索產品及元器件模型庫以及研製在軌質量檢測單元，從任務情況中可以看出NASA從單一材料製造研究到面向應用層面開展電路板、傳感器等組件產品製造的思路轉向。