太空也能“3D打印”

    人类志在深入探索太空，要在太空中生存，迟早需要有能力摆脱地球，在太空中生产所需部件。

    在电影里，每当宇航员被孤身遗留在其他星球，就只能接受漫长的等待，等待下一次执行任务的飞船来接他回家。实际生活中，当空间站出现故障需要维修时，维修人员也要像电影里的宇航员一样接受很长时间的等待，直到飞船从地面带来零部件进行更换，而且每一克太空货物的“邮费”都价格不菲。

    人类志在深入探索太空，要在太空中生存，迟早需要有能力摆脱地球，在太空中生产所需部件。也许你会大胆设想，如果有一台3D打印机，能在太空打印所需零部件，既省时又节约费用，岂不是一举两得？

    如今，梦想再次照进现实。中科院重庆绿色智能技术研究院4月18日对外宣布，由该院和中科院空间应用工程技术中心共同研制的国内首台空间3D打印机，已经在法国波尔多成功完成抛物线失重飞行试验，能够在微重环境下完成3D打印。而且，中科院重庆研究院介绍，该技术有望在2020年运用于我国空间站。

    “助力我国太空站建设”

    目前，空间站宇航员对地面的补给依赖较为严重，人类送往太空中的任何一件物品都要先在地球上制造完成，再发射到太空中去，尤其是一些精密仪器设备，这个方法成本极高。如果宇航员能够在失重环境下自制所需的实验和维修工具及零部件，将大幅提高空间站实验和维修的灵活性，减少空间站备品备件的种类、数量及运营成本。据了解，空间站等待一次地球补给至少需要半年，而3D打印只需要1~2天就能生产出需要更换的零部件。

    “就是基于空间站的一些零件维护的需求，如何让零件维修的成本降低，同时提高效率。通过调研，我们决定研发空间3D打印机。”中科院重庆研究院3D打印技术研究中心主任段宣明说，因为该项目具有一定的前瞻性，最终他们团队决定自筹经费，于2014年初正式启动了该项目。

    “与普通的3D打印机最大的区别是，这台机器要在超重、失重以及正常重力状况下都可以正常工作。”因为空间是一个零重力或者微重力的状态，所以用什么样的技术来解决这一难题？是摆在段宣明团队面前的首要任务。

    为了实现技术上的突破，他们总共花了两年时间进行研发，后来经过反复试验和纠错，终于得到初步成果。为了验证技术的可能性，今年3月，他们带着这台国内首台空间3D打印机来到法国波尔多进行抛物线失重飞行试验。

    段宣明介绍，在为期3天的飞行试验中，打印机总共进行了93次打印试验，从而成功获取了微重力环境下对3D打印工艺参数影响的实验数据。试验证明，这台打印机可以在失重、超重以及正常重力的情况下完成打印，目前能打印的材料包括工程塑料、复合材料。

    在法国波尔多的飞行试验中，这台打印机完成了4种模型的微重力打印。其中，打印了一块“中国科学院”字样的牌子，还打印了多个小巧的长方体。与普通3D打印机相比，这台机器看起来更小巧，与微波炉的大小相差无几，由塑料制成。虽然小巧，这台机器打印出来的扳手、螺丝等塑料零件却极为精致。

    “乘坐火箭升空的过程会有强烈的颠簸，并且太空中不确定的因素也有很多。但试验证明，各种复杂的环境状态都不会影响这台3D打印机正常工作。”段宣明自豪地说，“无论把机器横置还是斜放，它都可以正常打印。”

    目前这台打印机是他们研究改进的第三版，通过对设计、电机、传动设备的不断研发并经过失重飞行试验，证明该打印机在地球上斜着、倒着，在微重、无重力条件下都能打印，且打印效果与国外水平相当，他们希望此项成果能应用于我国空间站。

    “打印尺寸超过NASA 3D打印机”

    其实欧美国家也在研究太空3D技术，目前全世界仅有3台空间在轨3D打印机送上国际空间站，其中两台是NASA支持的一家公司研发，另一台是欧洲研发。

    NASA将在轨增材制造技术视为支持深空探测任务的战略性关键技术，为此部署了多项技术的研究，其中Made in space公司研制的FMD塑料3D打印机目前正在国际空间站试用。

    中科院空间应用工程与技术中心研究员王功表示，虽然中国太空增材制造技术研究的起步晚于美国，但研究更为积极活跃，在理念和技术上并不落后，此次试验共对五种材料和两种制造工艺进行了微重力环境下的验证与探索，其中包含了NASA从未尝试过的纤维增强复合材料，获取了不同材料与工艺在微重力环境下的特性数据。

    “经过研究，我们发现虽然咱们国家在这个领域起步晚，但是要想实现跨越式的突破或者弯道超车也不是没有可能。”段宣明说，“我们这台3D打印机能够打印最大零部件尺寸达200mm×130mm，该尺寸是美国国家航空航天局NASA首台空间在轨打印机打印尺寸的2倍以上，并超过今年3月26日NASA运至国际空间站的升级版3D打印机打印尺寸。”

    在段宣明看来，将来我们国家要建成空间站肯定是需要空间3D打印机的。“未来可能会需要金属的，因为在空间站需要的材料仅仅是塑料的肯定是不够的，塑料的更多的是在空间站的舱内使用，未来的3D打印机可能会发展到舱外去，这样一来，技术难度要更大一些，这也是我们研发的一个方向。另外，中科院也正在同步研究3D打印材料的循环利用技术，未来可以将空间站内的部分废弃物，如航天员的饮水袋等，制备成太空3D打印的原材料。”

    实际上，过去几年我国在3D打印技术上一直鲜有突破，这让许多发达国家趁虚而入，竭力打通我国3D打印的行业市场，并进行技术垄断。但随着我国整体科技研发水平的提升，这种局面正被逐渐打破。“我们期待自己研发的空间在轨3D打印机能够为我国2020年完成空间站建造及其后期运营奠定基础。”段宣明说。