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(yù)定軌道，我國空間站階段的首次飛行任務(wù)告捷。
5月7日，據(jù)央視新聞報道，新一代載人飛船試驗船此次搭載了一臺我國自主研制的“復(fù)合材料空間3D打印系統(tǒng)”，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(fù)合材料的3D打印實驗。飛行期間該系統(tǒng)自主完成了連續(xù)纖維增強復(fù)合材料的樣件打印，并驗證了微重力環(huán)境下復(fù)合材料3D打印的科學(xué)實驗?zāi)繕?biāo)。
連續(xù)纖維增強復(fù)合材料的3D打印實驗
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，涉及實現(xiàn)長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)和運行，這些空間活動很大程度依賴于如何實現(xiàn)高效、可靠、低成本的“空間制造”，從而克服現(xiàn)有火箭運載方式在載重、體積、成本上對空間探索活動的限制，以獲得深空探索所需的運載平臺、工具與裝備。
空間制造可直接利用太陽能、原材料等空間資源，實現(xiàn)自我維持; 同時，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)對未來空間探索活動具有極大的戰(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)消除了加工過程對中間模具的需求，能夠進行快速需求響應(yīng)，具有單件小批量定制化快速制造的優(yōu)勢，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向國際空間站運送了世界上首臺3D打印機。該3D打印機采用熔融沉積技術(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FDM 3D打印機送入空間站進行相關(guān)實驗，該設(shè)備由意大利Altran公司研制，可制備生物降解材料或無毒塑料。而此次我國進行的空間3D打印試驗，是國際上第一次在太空中開展連續(xù)纖維增強復(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。而纖維增強復(fù)合材料已經(jīng)被應(yīng)用于先進國防裝備，比如船體的高強結(jié)構(gòu)體、裝甲車的某些高強力結(jié)構(gòu)件，特別是在飛行器結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較為廣泛，因為相對于金屬材料，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、延長構(gòu)件壽命等，具有金屬材料無法比擬的優(yōu)勢，其在飛行器中的用量已成為衡量飛行器先進性的重要標(biāo)志。而此次我國開展連續(xù)纖維增強復(fù)合材料的3D打印實驗如果獲得成功，將為纖維增強復(fù)合材料空間制造技術(shù)打下堅實的基礎(chǔ)。
未來有望實現(xiàn)空間站的在軌建造
目前，我國正在進行空間站建設(shè)、載人航天計劃和月球探測計劃。如果實現(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，將對我國空間探索產(chǎn)生巨大的推動作用。
