复合材料增材制造技术在空间探索中的应用

3D打印复合材料的组装在空间系统的地面准备、在轨制造、甚至行星表面的原位资源利用方面有广泛的应用。复合材料增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术的最新发展包括在国际空间站上的室内实验，在未来几年内，将利用低地球轨道（Low Earth Orbits，LEOs）上的卫星平台进行技术演示。本文调查了用于各种非地球用途的AM技术，如机械、电气、电化学和医疗应用，为实现上述应用需要由复合材料制成的部件或工具。本文还就如何利用为地面应用开发的增材制造技术提出了建议，包括商业现货软件（Commercial-off-the-shelf，COTS）和基于实验室的技术，降低开发成本并促进可持续性。

增材制造技术的原材料选用最近变得愈加广泛，从塑料、金属、其复合材料和合金外，食品、织物、混凝土和水泥是已经被考虑用于商业的新的可打印材料。增材制造技术的应用领域也一直在向陆地应用以外的空间工程领域扩展。探索多样化的材料和应用，将实现降低人类探索宇宙成本的短期目标，还将助力人类为在地球以外长久生存的长期目标。目前在地球上准备的3D打印结构，在近期将在低地球轨道上制造或和组装。在地球和地球外的增材制造活动都有望加强太空任务的物流和供应链管理。在月球或火星上建立太空栖息地的长期目标将需要上述几乎所有的可打印材料的3D打印，为的是打造类似于地球上现有的结构、电气和生物医学应用，摆脱对地球资源的依赖，维持宇航员的生活。

SpaceX在2014年首次在空间探索中使用了3D打印的部件，那是猎鹰9号火箭内部9个引擎中的一个液氧阀门。目前，小型火箭的整个引擎可以使用带机械臂的大型金属打印机进行3D制造，这样可以将组装引擎部件的数量减少一个数量级。这些3D金属打印机由于采用激光熔化工艺，所以很重，而且需要消耗大量能源。相比上一节中提到的3D打印复合材料，复合材料的熔点比金属低得多，因此复合材料3D打印机受到的这些限制较少。复合材料3D打印机已被安装在国际空间站供宇航员使用。这包含很多型号和品牌的商业3D打印机。事实也表明，它们在微重力下的功能没有任何折损。然而，由于真空、辐射、微陨石等恶劣的空间条件，它们目前还没有在国际空间站外使用。第一个在轨自动3D打印设备将在不久的将来被推出，可生产具有大尺寸和长宽比的结构部件。