中国首次太空3D打印的两个样件 | 中国空间技术研究院
5月5日，长征五号B火箭将中国新一代载人飞船试验船送上太空。在经历了三天的太空遨游后，5月8日，返回舱成功返回东风着陆场。除了搭载的一台中国自主研制的“复合材料空间3D打印机”，还带回了在轨打印的两个样件。
这是全球首次实现连续碳纤维增强复合材料的太空3D打印，引起一大波关注。
在轨3D打印进行中，来源：央视新闻
最近十几年，3D打印遍地开花，很多人都说它会掀起“第四次工业革命”。这么厉害的技术，到底是什么样的？这个名字很长的材料是什么？为什么一定要跑到太空中做试验呢？
专为“复杂结构”而生的3D打印技术
先说技术。3D打印本质上是一种逐层制造技术，又称增材制造技术，字面意思，就是制造过程中材料是往上加的。与之对应的是传统的减材制造技术，如车、铣、刨、磨等，材料是往下减的。
相比传统技术，3D打印能够轻而易举地制造一些具有复杂结构的模型，可极大扩展设计师的思路。比如下面这对棋子，国际象棋的王和后。左边棋子外形相对简单，用减材制造方式、拿两根圆柱用车床沿着外轮廓划一圈，就完成了。但如果这对棋子设计得更复杂一些，变成右图的样子，传统方法就比较困难了，即便能做出来，造价也非常高昂。
普通棋子（左）和3D打印棋子（右） | 作者供图
但如果采用3D打印方式，就没有那么贵了。至少能把费用控制在可接受的范围内。这是为什么呢？
技术原理决定成本范围
3D打印技术不是一种技术，而是一类技术。其历史可追溯到1960s，最早的商业化设备则由美国人Charles W. Hull 在1987年前后推出，称作 SLA-1，即立体光刻。其工序可代表整个3D打印技术的基本思路。
光刻是利用材料的感光特性，通过光照改变其物理/化学性质，将被光照和未被光照的部分分开，以达到成型效果。比如，某种材料被光照之后会变得易溶，只要把想要的部分遮住，再曝光，就可以把多余的部分洗掉。
立体光刻也是基于类似的原理，不过它是将制品的数字模型分割成很多薄层，然后从最底层开始，一层一层地加工出来，最后形成一个立体制品。
具体而言，打印设备会包含一个液体槽，里面有一种特殊液体。这种液体受到紫外线激光照射会变成固体，而没有被照射到的地方仍然保持液体状态。打印的时候，紫外线激光会按照薄层的形状进行涂抹，液体同时完成凝固。一层打印完之后，打印平台（激光照射）上升，接着固化下一层，直到所有薄层全部完成。
用SLA打印的模型，表面光滑细腻，上色后质感绝佳，几乎可以以假乱真。|作者供图
这是最早的商业化技术。其他技术也都使用类似的思路。比如，和立体光刻几乎同时发展起来的熔融沉积成型（FDM）技术和选择性激光烧结（SLS）技术。
这次飞行任务采用的就是熔融沉积成型技术。我们来看它的技术实现原理，和立体光刻可以说有异曲同工之妙。
熔融沉积成型技术是目前最常见的一种3D打印技术，看名字就知道是把某种材料加热融化，然后一点点堆起来，固化成型。
常用的熔融沉积原材料以热塑性的高分子丝材（即加工成丝状的材料）为主，这样比较方便加热。一般选用玻璃化转变温度较低（可以理解为融化温度较低）的材料，比如聚乳酸、ABS树脂等。目前也发展到复合材料、金属材料和陶瓷材料等。
熔融沉积成型技术在进行3D打印时，位于“打印头”的丝材会被炙热的喷嘴加热软化，然后喷出去，附着在较冷的平面，快速冷却定型。喷嘴全程受计算机控制，沿着设定好的路线一步步移动，留下凝固的丝材。整个过程也是分层完成的，印完一层，工作台便下降再印一层，直到形成一个实体模型。
FDM成型过程 | 作者供图
容易看出，无论是立体光刻，还是熔融沉积成型，它们对模型的“复杂度”都是不挑的。因为，无论模型简单或复杂，工序其实都差不多。这也决定了3D打印在制作简单物件，不会太便宜，但打印复杂物件时，价格也不会提升太多。
多种技术强化材料性能
由于3D打印对材料的一些性质，例如热塑或光敏性有要求，所以在其他方面会有所取舍，也因此产生了一些材料强化技术。比如，使用纤维增强的方式对熔融沉积成型的树脂基材进行强化，令打印出来的部件结构强度更高。
这种技术将玻璃纤维或者碳纤维混入丝材原料，就好像在水泥中布置了钢筋。经过强化之后的部件，部分力学性能可媲美铝合金，而重量却只有铝合金的一半，可用于多种太空场景。
本次太空3D打印使用的连续碳纤维增强复合材料，就是这样一种强化材料。它不仅本身重量很轻，因为3D打印在结构设计上自由度很高（比如打印成蜂窝结构），也为减重和轻量化提供了进一步的可能。
本次在轨3D打印的两个样件，一个是蜂窝结构（代表航天器轻量化结构），另一个是CASC（中国航天科技集团有限公司）标志 | 中国空间技术研究院
让航天任务更灵活、更轻便
了解了3D打印的特征，其在航空航天领域的应用前景就不言而喻了。在航空航天领域，零部件在追求轻质和减重方向上可以说是斤斤计较，甚至是“克克必争”。在保证设计强度的条件下，零部件每减少1千克重量，取得的经济效益就可能高达几十万元。
但它的优势绝不止于于轻，而是综合了省时、省力、省物料。3D打印超高的制造自由度，让它成为航天领域的大热门，一台打印机加一些原材料，就可以让航天员实现很多梦想。
比如，在未来的太空任务中，一旦发生空间站某些器件需要替换的情况，航天员们就可以使用3D打印技术，第一时间得到新的替换件。执飞任务时，也无需从地面携带大量备用品上天，只要把3D打印机和所需的打印材料带上即可。
3D打印所需的图纸模型，可以提前储存在船载电脑中，如有新部件或者新改型的需要，也可以由地面直接传送新设计。假若在火星或者月球上建立了太空据点，可以把全套3D打印装备都运过去，直接在太空中成立物资生产基地。
不用天上地下的来回“送快递”，也不用苦等“收快递”，太空任务方便了不止一点点，节约的发射成本更是不可估量。
3D打印可为未来航天任务提供极大便利 | instagram
从太空试验，走向太空实践
不过，以上只是一种想象，回到现实中，太空3D打印可比在地球上难得多了。一个最紧要的影响因素，就是重力。
在地球重力环境下，3D打印过程中使用的熔化树脂（或其他浆料）可以很自然地沉积成型，可是太空中却缺乏这样的环境。如何保证材料乖乖堆砌，而不要“放飞自我”呢？
这就需要精确地控制好材料在喷头熔融时的粘度，以及喷出后的固化速率。只有适宜的粘度才能保证材料既能顺利喷出，又不至于像水滴一样飞散。而合适的固化速率能保证材料牢固地附着于基材，并实现层层堆砌。
从这次太空试验的结果来看，我国科学家很好地突破了这一难关。他们一定经历了很多实践，才最终选定了所用树脂的添加剂，并找到了合适配比，同时解决了该技术的一系列其他问题。
3D打印技术是美、俄、欧等航天大户都在钻研的技术，这次在轨试验成功，充分彰显了我国在该领域的实力。希望这项技术能早日用于我国的航天实践，在空间站、探月、探火任务中大放异彩。
来源：科普中国
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