祝賀天問一號成功發射！盤點黑科技太空微重力列印研究現狀

江蘇雷射聯盟導讀： 7月23日，我國首次火星探測任務「 天問一號 」探測器點火升空。任務成功發射，中國將成為世界上首次探索火星即完成軟著陸的國家。夢想不再虛妄，理想因此實現。太空中獨一無二的微重力環境是科學家們趨之若鶩的實驗寶地，例如在微重力環境下運行高性能冷原子鐘、進行胚胎幹細胞培養、研究晶體生長等，都是在地球上難以完成的任務。包括3D列印在內的太空製造技術被世界各航天強國公認為是人類提升地外活動能力、開展深空探索任務的戰略性關鍵技術之一，因而其也已成為世界主要航天強國最活躍的科學與應用前沿之一。這裡給大家盤點一下太空環境下微重力列印的研究現狀。

導言

習近平總書記指出：探索浩瀚宇宙，發展航天事業，建設航天強國，是我們不懈追求的航天夢。近年來，新一代航天工作者以老一代航天人為榜樣，大力弘揚「兩彈一星」精神，推動我國載人航天事業全面邁入了空間站時代。

據中央電視臺等媒體報導：7月23日，我國航空航天事業又往前邁了一大步。長徵五號遙四運載火箭將我國首次火星探測任務「天問一號」探測器送入預定軌道，開啟火星探測之旅，邁出了我國自主開展行星探測的第一步。

對宇宙千百年來的探索與追問，是中華民族矢志不渝的航天夢想。從古代詩人屈原發出的《天問》，到如今我國首次火星探測任務被命名為「天問一號」，太空探索無止境，偉大夢想不止步。

同學們知道「天問一號」名字的來歷嗎？是的，出自屈原的《天問》。

這是一篇非常有力的雄文，通篇充滿對天地、自然和人世等一切事物現象的追問和探尋。所以，給這次火星探測任務取名為「天問」，既有對過去的繼承和尊重，也有面向未來的探索與創新。

如果你對先秦文學和史前文明感興趣，會發現，中國人自文明始，便對太空充滿了莫大的好奇，探索從未停歇。《山海經》裡大量的神話傳說，比如盤古開天、女媧補天、後弈射下9個太陽的傳說，莫不是先民對天地自然的好奇與探究。直至影響整個上下三千年中國歷史的「天人合一」哲學思想，無不表達了這種研究精神。

所以，中國的航天工程也多以古代神話、文化典章命名，這也是一種傳承。比如嫦娥工程、天宮工程、神舟飛船；又比如玉兔號月球車、鵲橋中繼星、萬戶環形山……

有沒有覺得，每一次看火箭發射，都會心潮澎湃、激動不已？

「我們的太空」圖片

也許人類天生便對浩瀚的星空、未知的一切充滿好奇和追索之欲。溫家寶同志在《仰望星空》一詩中寫到——

我仰望星空，

它是那樣壯麗而光輝；

那永恆的熾熱，

讓我心中燃起希望的烈焰、響起春雷。

各位看官，當你們在朗誦這首詩的時候，是否心中也同樣湧動著熱烈的情緒？

除了傳承、探究這樣一些字眼，我們不妨在繁重的學習之餘，仰望星空，讓內心有一團火。「做人如果沒有夢想，那和鹹魚又有什麼區別」，雖然無釐頭，卻是一語道破人生真諦。

很多同學愛看的《銀河英雄傳》裡有一句話：我們的徵程是星辰大海。

為什麼它會成為網絡名言？因為它藏著這團火，讓我們被打動，被激勵。

當我們長大，胸中還蘊藏著這團火的時候，它便會燃燒成為建設國家的助推劑，成為提高個人素養的催化劑。

夢想不再虛妄，理想因此實現。

太空中獨一無二的微重力環境是科學家們趨之若鶩的實驗寶地，例如在微重力環境下運行高性能冷原子鐘、進行胚胎幹細胞培養、研究晶體生長等，都是在地球上難以完成的任務。

目前世界上只有中國、美國、俄羅斯能發射返回式衛星，也只有這三個國家有條件自主開展航天育種技術，航天農業成為我國現代化農業發展的新領域。

太空微重力列印簡介

對金屬粉末的有效處理，是在降低重力甚至完全失重的情況下面臨的最大挑戰。此外，粉末層還必須在列印床上保持穩定，直到完成列印。為了實現這一目標，研究人員開發了一種空氣氣體流動吸入系統，在沒有重力的情況下，粉末被有效地「吸」附在列印床上。這種在整個壓力範圍內穩定粉末的方法已經在之前的拋物線形飛行中進行了多種測試，並且顯示出很高的可靠性。

金屬粉末床熔融工藝與空氣氣體流動吸入系統原理

「選擇LBM作為製造航空航天部件的工藝主要是基於加工部件所需的原材料與部件本身重量之間的重量比。對於傳統製造技術而言，飛行部件的「購買 - 飛行」比率可能高達15-20，為材料和加工部件增加了大量成本。「研究人員表示。

LBM工藝有了一系列優勢，首先是零件可以製造成幾乎任何形狀，由粉末製成，如果有的話，幾乎不會產生任何浪費。處理備件是關鍵 - 特別是今天在國際空間站，在過去的貨運中已知由於發射不成功而失敗。即使在空間站中的太空行走丟失工具也可能對太空人和任務造成問題。

「基於雷射的AM特別能夠在太空中製造高性能金屬和熱塑性聚合物，」研究人員表示。雖然以前一直認為粉末太難以在太空生產，但研究小組解釋說，新的進展可以使LBM工藝適用於μ-g環境，使用一種技術可以通過產生氣流來穩定太空中的粉末整個粉末床。多孔建築平臺用作過濾器，用於「固定氣流中的金屬顆粒」。

拋物線飛機產生的微(低)重力環境

「可以證明，對於直徑為38μm的顆粒（即D50），氣流提供的阻力與μ-g加速條件下作用於顆粒的力（<0.01 g）相當甚至超過研究人員總結說：「這項工作中使用的粉末」。「在這項研究中，全球第一個金屬工具，12毫米扳手由LBM在μ-g條件下製造。此外，其他部件是由拋物線飛行提供的不同加速度製造的，即超重力（1.8 g），μ-g（<0.01 g）和1 g。在對零件微觀結構的第一次調查中，未發現與在1g條件下製造的零件有顯著偏差。因此，目前的工作已經提出了關於LBM工藝在太空中添加製造的即用型金屬零件的可行性的第一個結果。「

拋物線飛機成功進行 列印的樣品

a）沉積室的頂視圖，顯示雷射掃描儀和光學系統，兩個氧氣傳感器，兩個壓力表和兩個超壓安全閥

b）在拋物線飛行後清潔過程中沉積單元的視圖，顯示LBM產生的扳手仍然部分地嵌入粉末床中

c）在從基板分離後，在μ重力下製造的μ重力d）12mm扳手中製造的多孔金屬基板和扳手的俯視圖。底板的尺寸為106.5×85.5 mm2。

金屬3D列印除了空間之外還包含許多不同的技術，並且用於各種不同的工業目的， 以及許多不同類型的粉末和材料，這些粉末和材料在地球上一直在不斷地進行實驗，從陶瓷到納米複合材料到銅。

我國的微重力研究現狀

據江蘇雷射聯盟從中科院空間應用工程與技術中心獲悉，我國科研人員近日利用拋物線飛機成功進行了首次微重力環境下的3D列印試驗。這為未來把3D印表機搬上太空、為空間站提供後勤補給等提供了重要的數據和經驗。

據介紹，根據中科院空間應用中心與德國宇航局的雙邊合作協議，德國宇航局向中科院太空增材製造技術試驗隊提供了拋物線飛行試驗機會。拋物線飛機可以模擬太空失重，創造每次約22秒的微重力環境。試驗隊在法國波爾多進行了93次拋物線飛行試驗，用自主研發的設備和工藝成功列印了目標樣品。

試驗的技術負責人、中科院空間應用工程與技術中心研究員王功表示，後勤補給資源是長期太空探索任務成功的重要保證，目前主要是通過發射運載火箭和貨運飛船向空間站進行補給，不僅周期長，而且成本昂貴。如果需要的零部件在太空裡就能直接製造，將是人類太空探索技術的一次革命性進展。

「如果通過3D列印技術，在太空中把需要配備的零件列印出來，不僅可以及時滿足空間維修等需要，還可以製造新的有效載荷，開展更多的科學實驗。」王功說，「未來甚至或許可以在其他星球列印板材和石磚等建材來建造房子。」

中科院實驗團隊完成飛行任務後合影留念。（中科院空間應用工程與技術中心 供圖）

「3D列印憑藉其高效、靈活的特點有望成為太空製造技術的重要工藝之一。但由於太空環境的特殊性，目前地面3D列印技術難以直接應用，需要對材料、設備及控制方式進行針對太空特殊環境的適應性改造，同時需要開展大量的試驗摸索。」他說。

據介紹，歐美國家也在研究太空3D技術。NASA將在軌增材製造技術視為支持深空探測任務的戰略性關鍵技術，為此部署了多項技術的研究，其中Made in Space公司研製的FDM塑料3D印表機目前正在國際空間站試用。

拋物線飛機上列印的

王功表示，雖然我國太空增材製造技術研究的起步晚於美國，但研究更為積極活躍，在理念和技術上並不落後，此次試驗共對五種材料和兩種製造工藝進行了微重力環境下的驗證與探索，其中包含了NASA從未嘗試過的纖維增強複合材料，獲取了不同材料與工藝在微重力環境下的特性數據。

中科院空間應用中心副研究員程天錦介紹，目前他們正在同步研究3D列印材料的循環利用技術，未來可以將空間站內的部分廢棄物，如航天員的飲水袋等，製備成太空3D列印的原材料。

近日筆者了解到，中國科學院空間應用工程與技術中心科研人員在瑞士杜本多夫利用歐洲失重飛機成功完成了國際首次微重力環境下陶瓷材料立體光刻成形技術試驗。研究這項實驗的中國科學院太空製造技術重點實驗室主任王功說：「立體光刻是一種在地面上常用的３Ｄ列印工藝，但航天界認為這種工藝不適用於微重力環境。」

中國科學家同時還利用３Ｄ列印的陶瓷模具完成了首次微重力環境下金屬材料鑄造技術試驗。中國的這兩項試驗目的是為了將來能夠在空間站快速製造出零部件；在太空直接組建大型望遠鏡或其他科學儀器；更長遠的目標是為了開展月球、火星等深空探索。

我國微重力環境下立體光刻製造技術列印的陶瓷樣品 （左圖）和中國圖標

「本次試驗的主要設備由中科院空間應用中心與中科院重慶智能院共同研製。下一步我們將尋求與國內更多優勢技術單位開展聯合研究，著力提高太空增材製造產品的強度、精度和速度，爭取在近期取得更大的突破。」王功說。

我國微重力條件下列印的陶瓷樣件

技術最具創新，最有價值的部分是研究團隊花了兩年多時間，研究如何製造這種不會在微重力環境中四處飄散的膏體，這一技術可以用來加工月壤等各種精細粉末。這次製造的陶瓷樣品，包括一面半個手掌大小的具浮雕效果的陶瓷國旗，有五角星和「中國」字樣，一塊六邊形結構件和幾個立方體，金屬樣品包括螺絲釘和一個小扳手。

美國的微重力列印研究

美國航空航天局(NASA)馬歇爾太空飛行中心通過名為「3-DPrintinginZero-G」的實驗項目證實，3D印表機能夠在微重力條件下正常工作。該項目資助太空製造公司建造了首臺微重力3D印表機，並計劃在SpaceX-4補給任務中將其運送至國際空間站。

這臺3D印表機通過擠出加熱過的塑料製造三維物體。為了在空間站實現「機加工車間」的目標，在空間站對該機器進行測試是第一步工作。這一技術能夠降低空間站運行成本和風險，對於太空探索人員而言也具有重要作用。

NASA的集成式3D印表機和回收機

如果該印表機能夠順利工作，此次測試中獲得的數據與經驗還將幫助NASA和太空製造公司在未來探索小行星和火星等其他任務中實現進一步的空間製造工作。

第一臺零重力ZeroG 3D印表機抵達國際空間站，並於2014年11月完成安裝以及設備檢測。該臺太空3D列印由Made In Space公司設計並製造。為進一步探索3D列印在失重環境下，是否能承擔太空製造重任，被列印出的物件還將被送回地球進行分析與比較。

ZeroG 3D印表機

與傳統的3D印表機相比，Zero-G採用的是噴射式列印技術，通過噴射頭，Zero-G 3D印表機會對出料口進行加熱，使得從噴射頭精準定向噴出的材料馬上可以固化。除此以外，Zero-G還用到了高壓電子束（EBF3）、精準雷射燒結（SLS）等技術。

通過微重力科學手套箱安裝完成首臺太空3D印表機

截至現在，ZeroG 3D印表機進入太空已有兩個多月。近日，ZeroG成功列印出第一個3D列印對象，擠出機上的一塊面板，這塊印有「Made In Space」字樣的面板將被用於該機器列印頭上的罩板，實則為一個功能性零部件。

太空3D列印

列印出來的印有「Made In Space」字樣的擠出機面板

當然，ZeroG還將在空間站上3D列印更多的零部件。研究人員將從柔韌性、抗張強度和扭矩等維度對其進行研究分析。 Made In Space將用這些數據，改進公司正在研發的第二臺太空用3D印表機，除在國際空間站使用外，還將出租給那些航空航天製造企業。

「Made In Space」 太空微重力印表機

「Made In Space」 太空微重力印表機

Made In Space零重力3D列印成功的進行了實驗

很多人將此舉視為人類探索太空的轉折點，若3D列印技術真能擔此大任，或將幫助我們在太空中走的更遠而無需大量的設備補給。未來，藉助3D列印技術我們或許可以加工月球土壤用以生產建築，又或是捕獲太空垃圾作為3D列印原料。要知道，每一個當下傑出的技術在最初都源自大膽的設想。

德國的微重力研究現狀

日前，德國正在進行一項名為「失重條件下的粉末增材製造」的研究，德國正在將3D列印技術的太空應用變得更接近現實。據了解，這項研究已經由德國聯邦材料研究與實驗部(BAM)、克勞斯塔爾工業大學和德國航空航天中心(DLR)三大機構合作在DLR的30周年拋物線飛行競賽中完成。這種飛行的升降總共累計約4小時，每次都會造成約22秒的失重。競賽由法國Novespace公司組織，DLR執行。其中的飛行部分由空客A310客機完成。它從法國波爾多機場起飛，每天都會在大西洋上空進行31次拋物線升降。在總共為期5天的飛行中，這種升降總共累計約4小時，每次都會造成約22秒的失重(總共累計超過35分鐘)。

德國聯邦材料測試研究院（BAM）首次成功實現零重力條件下金屬工具的3D列印製造。BAM在之前陶瓷3D列印經驗基礎上，經過進一步的工藝優化實現了金屬件的3D列印製造，這是迄今為止最先進的研究成果。BAM陶瓷加工和生物材料部門項目經理表示，零重力條件下金屬件的3D列印製造為太空探索任務中擴展3D列印技術的應用指明了方向。

正是在這樣可以模擬太空的微重力環境中，團隊找到了讓金屬粉末保持穩定的方法——使用一種類似真空吸塵器的空氣-氣體流動吸入裝置——然後用粉床3D列印技術成功製造出了一個樣件。它很薄，只有30個列印層，卻讓團隊看到了真正在外太空列印更大零部件的希望。

歐洲空間局測試在微重力環境下工作的原型3D印表機

歐洲空間局（ESA）正在測試一臺3D印表機，該印表機旨在在微重力條件下工作，並使用具有高端機械和熱性能的工程聚合物進行製造。

近日，歐洲航天局（ESA）推出了首臺適用於微重力條件的3D印表機，該印表機專為列印航空航天質量的塑料件而設計

MELT 3D印表機是由德國的Sonaca Space GmbH和OHB-System AG公司、葡萄牙的BEEVERYCREATIVE公司和Active Space Techologies SA公司聯合為ESA製造的。MELT項目啟動於兩年前，由ESA的技術開發專題計劃支持，該計劃旨在鑑別出有前景的空間技術，並驗證其可行性。

據悉，能夠在微重力下列印的原型3D印表機已移交給歐洲空間局（ESA）供國際空間站（ISS）使用。

微型3D印表機由領先的葡萄牙3D印表機製造商BEEVERYCREATIVE和國際合作夥伴聯盟開發，已經有兩年的歷史。

MELT項目的目標是設計、開發和測試可在國際空間站的微重力條件下工作的全功能3D印表機。

它必須能夠進行3D列印，要求能夠列印具有高端機械和熱性能的工程聚合物。它需要足夠簡單，以便國際空間站上的太空人進行操作和維護。

由葡萄牙的BEEVERYCREATIVE、德國的SONACA Space、德國的OHB-System和葡萄牙的Active Space Technologies組成的國際聯盟現在已將其原型機交付給ESA進行測試。

展望未來，BEEVERYCREATIVE計劃利用從MELT項目中獲得的知識開發面向產品開發需求和快速原型設計的新型3D印表機。

葡萄牙初創公司在ESA技術轉讓經紀人網絡成員Instituto Pedro Nunes的支持下開發了這款新型印表機。它們促進空間技術在非空間市場的商業化，並傳播葡萄牙航天公司和學院的最佳和最有前途的空間技術和能力。

該研究所還負責協調葡萄牙歐空局孵化中心，支持將空間技術轉讓給地面部門的初創公司以及希望進入空間市場的新公司，稱為新空間。

來自BEEVERYCREATIVE的新型3D印表機將面向汽車、鞋類、電子等眾多行業，他們需要快速成型的高端性能、易用性、材料多樣性和設計靈活性。總的來說，這些行業將從產品開發過程中的時間和成本降低中受益。

結束語

中國這一新技術（微重力列印）有望在未來實現半導體、生物支架、光學部件、微機電系統等產品在太空探索任務中的原位快速製造，也為月塵月壤等月球資源的就位利用提供了新技術途徑，將在太空製造領域產生深遠影響。

據江蘇雷射聯盟了解，中國科學院太空製造技術重點實驗室是國際上第一個以先進太空製造技術為研究主題的實驗室，繼２０１６年牽頭開展中國首次「太空３Ｄ列印」技術實驗後，歷經兩年多的研究和準備，自主研發了本次任務所用的納米級類固態陶瓷膏體材料、３Ｄ列印陶瓷耐高溫模具以及兩套試驗裝備，為中國空間站、在軌服務及深空探索等任務中實現多種材料的高精度製造奠定了必要技術基礎。

本文綜合自參考資料：新華網、科學網、中關村在線、北方科技信息研究所、PConline、Boxi、 中國3D列印網、澎湃新聞·澎湃號·媒體