2020年5月5日18時(shí)0分，長(zhǎng)征五號(hào)B搭載新一代載人飛船試驗(yàn)船和柔性充氣式貨物返回艙試驗(yàn)艙，從文昌航天發(fā)射場(chǎng)點(diǎn)火升空。約488秒后，載荷組合體與火箭成功分離進(jìn)入預(yù)定軌道，我國(guó)空間站階段的首次飛行任務(wù)告捷。
5月7日，據(jù)央視新聞報(bào)道，新一代載人飛船試驗(yàn)船此次搭載了一臺(tái)我國(guó)自主研制的“復(fù)合材料空間3D打印系統(tǒng)”，這是我國(guó)首次太空3D打印實(shí)驗(yàn)，也是國(guó)際上第一次在太空中開展連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印實(shí)驗(yàn)。飛行期間該系統(tǒng)自主完成了連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的樣件打印，并驗(yàn)證了微重力環(huán)境下復(fù)合材料3D打印的科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。
連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印實(shí)驗(yàn)
隨著航天技術(shù)的發(fā)展，深空探索、建設(shè)外星基地等以前只存在于科幻世界的事情逐漸成為可能，涉及實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期在軌居留的物資和生命保障、空間設(shè)施的建造、地外星球探索基地建設(shè)和運(yùn)行，這些空間活動(dòng)很大程度依賴于如何實(shí)現(xiàn)高效、可靠、低成本的“空間制造”，從而克服現(xiàn)有火箭運(yùn)載方式在載重、體積、成本上對(duì)空間探索活動(dòng)的限制，以獲得深空探索所需的運(yùn)載平臺(tái)、工具與裝備。
空間制造可直接利用太陽(yáng)能、原材料等空間資源，實(shí)現(xiàn)自我維持; 同時(shí)，空間微重力環(huán)境使得原位制造、組裝超大尺寸構(gòu)件成為可能。因此，空間制造技術(shù)對(duì)未來(lái)空間探索活動(dòng)具有極大的戰(zhàn)略意義。而3D 打印技術(shù)是一種采用逐層堆積直接進(jìn)行零件成形的數(shù)字化增材制造工藝，與傳統(tǒng)減材或等材制造相比，3D打印技術(shù)消除了加工過程對(duì)中間模具的需求，能夠進(jìn)行快速需求響應(yīng)，具有單件小批量定制化快速制造的優(yōu)勢(shì)，較適合空間制造需求。
空間 3D 打印的結(jié)構(gòu)樣件
但是，由于空間環(huán)境極為特殊，特別是微重力環(huán)境顯著影響在軌3D打印過程中的材料的固化過程，這直接關(guān)系到零件能否成形、是否具有良好的使用性能。無(wú)論是金屬材料還是非金屬材料，在地面條件下技術(shù)都非常成熟，并且已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用階段。但是到目前3D打印技術(shù)在太空中還未獲得應(yīng)用推廣。
2014 年9 月，NASA向國(guó)際空間站運(yùn)送了世界上首臺(tái)3D打印機(jī)。該3D打印機(jī)采用熔融沉積技術(shù)( FDM) ，由太空制造公司( MADE IN SPACE) 制造，已在太空中成功制備了一些塑料材質(zhì)的工具。歐洲航天局在2015年將一臺(tái)FDM 3D打印機(jī)送入空間站進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，該設(shè)備由意大利Altran公司研制，可制備生物降解材料或無(wú)毒塑料。而此次我國(guó)進(jìn)行的空間3D打印試驗(yàn)，是國(guó)際上第一次在太空中開展連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印。
3D打印使用的材料主要包括工程塑料、光敏樹脂、橡膠類材料、金屬材料和陶瓷材料等。而纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已經(jīng)被應(yīng)用于先進(jìn)國(guó)防裝備，比如船體的高強(qiáng)結(jié)構(gòu)體、裝甲車的某些高強(qiáng)力結(jié)構(gòu)件，特別是在飛行器結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較為廣泛，因?yàn)橄鄬?duì)于金屬材料，復(fù)合材料具有減輕構(gòu)件重量、提高構(gòu)件效率、改善構(gòu)件可靠性、延長(zhǎng)構(gòu)件壽命等，具有金屬材料無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，其在飛行器中的用量已成為衡量飛行器先進(jìn)性的重要標(biāo)志。而此次我國(guó)開展連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印實(shí)驗(yàn)如果獲得成功，將為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料空間制造技術(shù)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)空間站的在軌建造
目前，我國(guó)正在進(jìn)行空間站建設(shè)、載人航天計(jì)劃和月球探測(cè)計(jì)劃。如果實(shí)現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)件的空間制造、空間廢棄零部件的回收再制造、月球資源的利用與原位制造等，將對(duì)我國(guó)空間探索產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。
