圖說太空中的3D打印

（1）從太空中的3D打印的基本概念和原理出發，采用詳實的圖例說明了太空中的3D打印技術發展路線、目前現狀和可能的發展趨勢。 （2）結合了作者及其研究團隊多年來在衛星載荷新技術研究領域積累的豐富工程經驗和深厚的理論基礎，圖例詳實、深入淺出，內容兼顧基礎性、科普性和科研性，能夠滿足不同讀者不同的閱讀需求。 （3）結構上，以問題引導、基礎理論介紹、具體應用、未來發展為編寫思路，重點講述了3D打印衛星、在軌3D打印、深空探測中的3D打印等目前熱門研究內容。

太空中的3D打印在衛星設計與制造、火箭研發、空間飛船在軌全生命周期安全運行、深空探測等領域具有廣泛的應用潛力，是中國、美國以及歐洲各國重點發展的太空關鍵技術之一，在一定程度上影響著月球基地建設、深空航行與探測等國家重大工程的研究進程，也是廣大科研工作者和航天科技愛好者重點關注的領域之一。
3D打印，也稱為增材制造，通過將原材料逐層沉積疊加的增材制造工藝構建，是從數字模型文件創建三維實物對象的制造過程，也是從虛擬構想空間到現實物理世界一種直觀的表達方法。3D打印既是與時俱進的新技術，也是頗具歷史的成熟想法。早在20世紀40年代，從3D打印概念萌芽伊始，科學家們就一直嘗試用這種直觀的手段來堆出構想的結構。但直到20世紀80年代，世界上首臺結合了電腦繪圖、固態激光與樹脂固化技術的商業3D打印機橫空出世，3D打印無法實現的禁錮就此被打破。在此之后，隨著各種可用于打印的材料的使用以及包括熔融沉積、激光燒結、光固化等多種打印工藝的發明，3D打印已經可以實現從聚合物、陶瓷、金屬到非晶合金等多種材料基的復雜結構制造。
3D打印是一項革命性的制造技術，因其顛覆性的工藝手段以及改變當前制造工藝的巨大潛力，在各行各業引起了廣泛關注，被譽為工業4.0時代的關鍵技術之一。未來，人類還將開拓更廣闊的空間，3D打印正助力人類的太空探索之路。對于包括在軌工作、空間旅行、深空探測、行星基地建設之類的航天活動而言，由于原材料稀缺、運輸成本高昂和周期漫長等一系列問題，使得太空3D打印成為突破航天任務物資缺乏局限性的關鍵手段。3D打印可以幫助航天員在太空中按需創建物體，如用于維修的替換零件、科學實驗的定制設備，甚至食物和建筑物之類的人類移居太空的必需品，變革性地改變太空探索方式。目前，各國航天局正在考慮不久的將來在月球甚至火星上建設3D打印星球基地。
本書采用圖說的方式，圍繞國內外太空中3D打印技術的應用和構想展望進行闡述。全書包括四大部分、八個章節的內容。其中，第一部分主要介紹了3D打印的概念和目前主流的3D打印技術，闡述了為什么要在太空中發展3D打印技術、與地面的區別以及所面臨的挑戰；第二部分主要介紹了在軌3D打印的技術現狀和一些應用實例；第三部分主要介紹了太空中3D打印所使用的新材料和新技術的應用；第四部分則描述了未來太空中3D打印的發展展望，以及3D打印對未來星際旅行中航天員生存、醫療和飛行任務等物資的自我補給的技術構想。
本書的第1～5章由李韻研究員編寫，第6章、第7章由封國寶博士編寫，第8章由李小軍研究員編寫。本書還得到了多位專家學者的指導，在此感謝中國空間技術研究院西安分院董士偉、李琪、葛錦蔓、劉碩、李亞峰對本書提供的寶貴意見和支持。感謝西安鉑力特增材技術股份有限公司陳彬、熊依萌對本書提供的寶貴意見和部分插圖。本書的部分工作獲得國家中組部青年拔尖人才項目、陜西省“特支”計劃青年拔尖人才項目、自然科學基金項目（項目編號 12175176、61901360）的資助。
太空中的3D打印是新興的、涉及交叉學科的細分技術領域。近年來，各航天大國在計算機技術、機器人技術、智能制造技術突飛猛進式發展的支撐下，逐步規劃3D打印的發展藍圖。編寫一部通俗易懂、介紹工程應用實踐的太空中的3D打印技術的科普類書籍，歸納當前的技術現狀和未來展望，正當其時。本書在編寫的過程中參考和引用了部分國內外航天機構的相關資料，本書的完成得益于這些開創性工作的構想和實現，在此深表感謝。
由于編著者水平有限，加之時間倉促，書中難免有諸多不當之處，敬請廣大讀者批評指正。

編著者
2022年8月

探索浩渺宇宙是人類從誕生以來就孜孜以求的夢想。3D打印技術是近年來最重要的技術發展方向之一，被譽為“將改變二十一世紀人類生活和生產的重大技術突破之一”。這兩者的結合賦予了“太空中的3D打印”極高的科技含量、極強的應用潛力。本書從未來太空中重要的技術發展方向之一—3D打印技術出發，重點闡述太空中3D打印的定義、技術手段及其重要的應用場景。

本書主要介紹了太空中的3D打印新技術、新應用和未來展望。怎樣在空間飛船中實現“廢物回收利用”？怎樣在月球表面打印“房子”？在深空探測任務中飛船的零部件出現故障了怎么辦？這些有趣的問題都將在本書中找到答案。

本書結合了作者及其研究團隊多年來在衛星載荷新技術研究領域積累的豐富工程經驗和深厚的理論基礎，圖例翔實、深入淺出，兼具科普性與科研性。開卷有益，愿每一位翻開本書的讀者能以此為支點，撬動屬于自己的星辰大海之旅。


　

第1章什么是太空中的3D打印 1
1.1　什么是3D 打印 2
1.2　為什么要3D 打印衛星等航天器 4
1.3　太空中和地面的3D 打印有何不同 8
1.4　太空中的3D 打印所面臨的挑戰 9
1.5　太空中的3D 打印展望 10

第2章目前已有的3D打印技術 12
2.1　熔融沉積成型3D 打印技術 12
2.2　電子束熔絲沉積成型3D 打印技術 15
2.3　選擇性激光燒結3D 打印技術 17
2.4　光固化成型3D 打印技術 18
2.5　聚光太陽能發電3D 打印技術 20

第3章3D打印人造衛星與火箭 21
3.1　適合在太空中應用的3D 打印材料 22
3.2　3D 打印人造衛星零部件 27
3.3　3D 打印衛星整體結構 36
3.4　3D 打印火箭 39
3.5　3D 打印發動機組件 46
3.6　3D 打印小衛星 48

第4章在軌3D打印 52
4.1　空間飛船等在軌3D 打印中面臨的挑戰 54
4.2　微重力3D 打印設備 57
4.3　在軌3D 打印復合材料 58
4.4　在軌3D 打印衛星零部件 60
4.5　材料在軌循環利用 61
4.6　在軌建造與組裝 63
4.7　在軌3D 打印衛星 70

第5章深空探測中的3D打印 71
5.1　3D 打印月球等星球基地面臨的挑戰 73
5.2　打印星球基地需要的原材料從哪里來 74
5.3　各國月球基地3D 打印技術最新進展 77
5.4　火星基地中的3D 打印 89
5.5　深空探測儀器中的3D 打印 92
5.6　適用于深空探測極端溫度環境的打印新材料 96

第6章太空3D打印的新材料 98
6.1　金屬材料的3D 打印 98
6.2　復合材料的3D 打印 105
6.3　仿生材料的3D 打印 110
6.4　打印材料的狀態 114

第7章太空3D打印的技術應用 118
7.1　耐高溫3D 打印技術 118
7.2　復雜結構型3D 打印技術 122
7.3　高利用率的3D 打印技術 127
7.4　集成化的3D 打印技術 134
7.5　輕量化3D 打印技術 136

第8章太空中的3D打印未來發展 140
8.1　太空中食品的3D 打印 140
8.2　星際旅行中飛船零部件的補給 141
8.3　星際旅行中航天員得了重病怎么辦 143
8.4　3D 打印太空著陸器 148

主要資料來源 150

參考文獻  151