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科普中国网中国太空 3D 打印的样件回来了，看这成品可还行？( 二 )


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 。

科普中国网中国太空 3D 打印的样件回来了，看这成品可还行？
本文插图

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 。

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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？


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