中国太空3D打印的样件回来了，看这成品可还行？

如果空间站缺少零件怎么办？3D打印结束了。

中国首个空间3D打印的两个样本|中国空间技术研究所

作者|杨怀超章昊

5月5日，长征五号乙火箭将中国新一代载人航天器送入太空。经过三天的太空旅行，太空舱于5月8日成功返回东风着陆点。除了搭载中国自主研发的“复合空间3D打印机”，它还带回了两个在轨道上打印的样本。

这是世界上第一次在空间实现连续碳纤维增强复合材料的3D打印，引起了极大的关注。

在轨3D打印正在进行，来源:*电视台新闻

在过去十年左右的时间里，3D打印在各地迅速发展，许多人认为它将带来“第四次工业革命”。这是什么样的技术？名字长的材料是什么？为什么我们必须跑到太空去做实验？

面向“复杂结构”的3D打印技术

首先，技术。实质上，3D打印是一种逐层制造技术，也称为附加制造技术。从字面上讲，材料是在制造过程中积累起来的。相应地，传统的材料还原制造技术，如车削、铣削、刨削、磨削等。，向下减少材料。

与传统技术相比，3D打印可以轻松制作一些结构复杂的模型，大大拓展了设计者的思维。例如，下面的一对棋子，国际象棋的国王和王后。左边棋子的形状比较简单，用一种减料制造的方法，用两个圆柱体用车床沿外轮廓画一个圆来完成。然而，如果棋子的设计更加复杂，变成右边的图像，传统的方法将更加困难，即使可以制作，成本也将非常高。

普通棋子(左)和3D打印棋子(右)|作者绘图

然而，如果采用3D打印，就不会那么贵了。至少成本可以控制在可接受的范围内。这是为什么？

技术原则决定成本范围

3D打印技术不是一种技术，而是一种技术。它的历史可以追溯到20世纪60年代，最早的商业设备是由美国人查尔斯·w·赫尔在1987年左右引进的，称为SLA-1，或立体平版印刷术。该过程可以代表整个3D打印技术的基本思想。

平版印刷是利用材料的感光特性，通过光照来改变其物理/化学性质，将受光照和未受光照的部分分开，以达到成型效果。例如，某一种材料在曝光后很容易溶解。只要所需的部分被覆盖并再次暴露，多余的部分就可以被洗掉。

立体光刻也是基于类似的原理，但是它将产品的数字模型分成许多薄层，然后从底层一层一层地处理它们以形成立体产品。

具体来说，打印设备将包含一个装有特殊液体的液体罐。这种液体被紫外线激光照射后会变成固体，而未被照射的地方会保持液态。印刷时，紫外激光会根据薄层的形状进行涂抹，同时液体会凝固。印刷一层后，印刷平台(激光照射)上升，然后固化下一层，直到所有薄层完成。

用SLA印刷的模型表面光滑细腻，着色后质地极佳，几乎与事实相混淆。|绘图作者

这是最早的商业化技术。其他技术使用类似的想法。例如，熔融沉积建模(FDM)和选择性激光烧结(SLS)技术几乎与立体光刻同时发展。

这项任务使用熔融沉积成型技术。让我们看看它的技术实现原理，立体光刻可以说有同样的效果。

熔融沉积成型技术是目前最常见的3D打印技术。这个名字表明，某种物质被加热熔化，然后一点一点地堆积起来，固化成型。

常用的熔融沉积原料主要是热塑性聚合物长丝(即加工成长丝的材料)，加热更方便。通常，选择具有较低玻璃化转变温度(可以理解为较低熔融温度)的材料，例如聚乳酸、ABS树脂等。目前，它也发展成为复合材料、金属材料和陶瓷材料。

在通过熔融沉积成型技术进行3D打印的过程中，位于“打印头”中的丝材料将被热喷嘴加热和软化，然后被喷射，附着到较冷的平面，并快速冷却和成形。喷嘴的整个过程由计算机控制，沿着设定的路线一步一步地移动，留下凝固的金属丝。整个过程也是分层完成的。打印一层后，工作台下降并打印另一层，直到形成实体模型。

FDM成型工艺

很容易看出，无论是立体光刻还是熔融沉积成型，他们都没有选择模型的“复杂性”。因为，不管模型是简单的还是复杂的，过程实际上是一样的。这也决定了3D打印在制作简单对象时不会太便宜，但在打印复杂对象时价格不会增加太多。

各种技术增强材料性能

因为3D打印需要材料的某些特性，例如热塑性塑料或光敏性，所以在其他方面会有折衷，从而产生一些材料强化技术。例如，通过熔融沉积形成的树脂基底被纤维增强物增强，使得印刷组件具有更高的结构强度。

这种技术将玻璃纤维或碳纤维混合成丝材料，就像钢筋被放置在水泥里一样。强化后零件的部分力学性能可与铝合金媲美，但重量仅为铝合金的一半，可用于各种空间场景。

用于该空间3D印刷的连续碳纤维增强复合材料就是这样一种增强材料。它不仅重量非常轻，因为3D打印在结构设计上具有高度的*度(例如打印成蜂窝结构)，而且还提供了进一步减轻重量和减轻重量的可能性。

两个样品的在轨3D打印，一个是蜂窝结构(代表航天器的轻质结构)，另一个是CASC(中国航天科技集团有限公司)标志|中国空间技术研究所

使太空任务更加灵活和轻便

了解3D打印的特点，其在航空航天领域的应用前景不言而喻。在航空航天领域，零部件可以说是斤斤计较，追求轻量化和轻量化，甚至“唐珂必须争”。在保证设计强度的情况下，每减少一公斤零件，经济效益可达几十万元。

然而，它的优点绝不仅限于轻便，而是省时、省力和节省材料的结合。3D打印的超高制造*度使其成为空间领域的热门话题。打印机和一些原材料可以让宇航员实现许多梦想。

例如，在未来的太空任务中，如果空间站的某些部件需要更换，宇航员将能够首先使用3D打印技术获得新的替换部件。飞行时，你不需要从地面携带大量备件，只需携带3D打印机和所需的打印材料。

3D打印所需的绘图模型可以预先存储在机载计算机中。如果需要新零件或新修改，新设计也可以直接从地面传送。如果太空堡垒建立在火星或月球上，全套3D打印设备可以直接运输到太空建立材料生产基地。

不需要在天地之间来回“发快递”，也不需要等待“收快递”，太空任务比一点点都方便，节省的发射成本是无法估量的。

3D打印可以为未来的太空任务提供极大的便利| instagram

从空间测试到空间实践

然而，以上只是一种想象。事实上，在太空中进行3D打印比在地球上困难得多。最关键的因素之一是重力。

在地球的重力环境下，3D打印过程中使用的熔融树脂(或其他浆料)可以自然沉积和形成，但在太空中没有这样的环境。如何确保材料被顺从地堆放，而不是“放任自流”？

因此，有必要精确控制喷嘴熔化时材料的粘度和喷射后的固化速率。只有合适的粘度才能确保材料能够平稳喷射，而不会像水滴一样散开。然而，合适的固化速率可以确保材料牢固地附着在基材上，并实现逐层堆叠。

从这次太空实验的结果来看，中国科学家已经成功地突破了这个困难。他们在最终选择所用树脂的添加剂并找到合适的比例之前，一定经过了大量的实践，解决了该技术的一系列其他问题。

3D打印技术是美国、俄罗斯和欧洲等主要航空公司正在研究的一项技术。这次在轨试验的成功充分证明了中国在这一领域的实力。希望这项技术能尽快应用到中国的航天实践中，并在空间站、月球探测和火灾探测任务中大放异彩。