2020年5月5日18時0分，長征五號B搭載新一代載人飛船試驗船和柔性充氣式貨物返回艙試驗艙，從文昌航天發(fā)射場點火升空。約488秒后，載荷組合體與火箭成功分離進入預定軌道，我國空間站階段的首次飛行任務告捷。

據(jù)CCTV報道，此次在新一代載人飛船試驗船上還搭載了一臺“3D打印機”，這是我國首次太空3D打印實驗，也是國際上第一次在太空中開展連續(xù)纖維增強復合材料的3D打印實驗。

我國成功完成首次太空“3D打印”

這次打印的對象有兩個，一個是蜂窩結(jié)構(gòu)（代表航天器輕量化結(jié)構(gòu)），另外一個是CASC（中國航天科技集團有限公司）標志。

科研人員將這臺我國自主研制的“復合材料空間3D打印系統(tǒng)”安裝在試驗船返回艙中。飛行期間，該系統(tǒng)自主完成了連續(xù)纖維增強復合材料的樣件打印，并驗證了微重力環(huán)境下復合材料3D打印的科學實驗目標。

據(jù)了解，連續(xù)纖維增強復合材料是當前國內(nèi)外航天器結(jié)構(gòu)的主要材料，密度低、強度高，開展復合材料空間3D打印技術研究，對于未來空間站長期在軌運行、發(fā)展空間超大型結(jié)構(gòu)在軌制造，具有重要意義。
據(jù)悉，這套復合材料空間3D打印系統(tǒng)出自航天五院529廠。另外，這次長征五號B的任務，還有其他的3D打印任務。 中科院空間應用中心的太空3D打印研究 為進一步提升制造精度、擴大可用于太空制造的材料譜系，由中科院空間應用中心研究團隊研制的“在軌精細成型實驗裝置”將創(chuàng)新采用立體光刻3D打印技術對金屬/陶瓷復合材料進行微米級精度的在軌制造。 太空失重環(huán)境是立體光刻技術面臨的主要挑戰(zhàn)之一，普通的打印漿料在失重條件下無法保持穩(wěn)定形態(tài)，會發(fā)生爬壁導致液面起伏影響打印；通過國內(nèi)外失重飛機，先后進行了數(shù)百次微重力環(huán)境下的實驗，對漿料在失重條件下的流變行為及內(nèi)在機理進行了分析，利用化學及物理方法對漿料進行優(yōu)化使其從液態(tài)變?yōu)檐浳镔|(zhì)形態(tài)，軟物質(zhì)特有的屈服應力在失重條件下抵抗形變，抑制爬壁，且在較高剪切力作用下其又可以恢復良好的流動性，保證了3D打印順利進行。

△2018年中科院太空制造技術重點實驗室在微重力下試驗3D打印 據(jù)了解，中國科學院太空制造技術重點實驗室（CAS Key Laboratory of Space Manufacturing Technology, SMT）成立于2017年底，依托中國科學院空間應用工程與技術中心，是一個以“太空制造技術”為研究專題的科研實體。 早在2018年6月13日，中科院太空制造技術重點實驗室（依托單位為空間應用中心）科研人員在瑞士杜本多夫利用歐洲失重飛機圓滿完成了國際首次微重力環(huán)境下陶瓷材料立體光刻成形技術試驗和基于陶瓷模具的金屬材料微重力環(huán)境下鑄造技術試驗，獲得多個完好的制造樣品及豐富的實驗數(shù)據(jù)。

△微重力下光固化3D打印陶瓷樣件

△微重力下3D打印金屬樣件

太空3D打印的作用和優(yōu)勢 般來說，當國際空間站內(nèi)缺少某種工具或部件時，宇航員們就得花上數(shù)周甚至數(shù)月等待地面送來物資補給。有了太空3D打印機，技術人員在地球上設定出物品的制造程序（也就是設計模型文件），然后用電子郵件發(fā)送至國際空間站，整個過程耗時不到一周；而實際打印時間只有約4小時。無論是美國，還是歐洲，還是俄羅斯，都在太空3D打印領域投入了熱情的研究。 除了時間成本，太空3D打印所節(jié)約的運輸成本同樣可觀。空間站、基地或復雜航天器的系統(tǒng)由許多部分組成。盡管在建造時就力求可靠，但仍然面臨著零件損壞、系統(tǒng)升級等問題。如果攜帶大量預制零件進入太空，就會大大增加高昂的發(fā)射費用。如采用太空3D打印技術，只需將原材料和輕型打印機帶入太空，從而就地制造所需零部件，最大限度減少發(fā)射重量并提高工作效率。未來，當人類能夠從其他星球表面開采原材料時，還能在太空建立“零件工廠”，進一步減輕航天器的發(fā)射重量，節(jié)約空間。

△配圖：美國NASA國際空間站上的太空3D打印機，使用到的技術是FDM熔融擠出，通過噴頭加熱，高分子聚合物線材熔化成液態(tài)，然后靠機械力從噴頭擠出來，層層堆疊成型。圖片來源NASA

2014年，NASA研制的世界上首臺太空3D打印機抵達國際空間站，揭開了人類“太空制造”的序幕。 3D打印技術在太空的操作環(huán)境與地球大不相同，技術難度也不一。在地球上，依靠重力，3D打印機擠出的加熱塑料、金屬或其他材料能自然地沉積，一層一層打印出三維物體。而在太空零重力條件下，需要使用以給定速率旋轉(zhuǎn)的離心機來確保材料沉積到位，或者修改3D打印的過程來使設備平穩(wěn)運行。不過，原本基于地球的3D打印技術更容易適應有著微重力環(huán)境的月球和火星。