2020年5月5日18时，长征五号乙搭载新一代载人飞船试验船和柔性充气式货物返回舱从文昌航天发射场发射升空。约488秒后，载荷组合体与火箭成功分离进入预定轨道，中国空间站阶段首次任务成功。
据央视报道，新一代载人飞船试验船上还安装了一台“3D打印机”，这是我国首次空间3D打印实验，也是国际上首次连续纤维增强复合材料空间3D打印实验。
中国成功完成首个太空“3D打印”
这次印刷的有两个物体，一个是蜂窝结构(代表航天器的轻量化结构)，另一个是CASC(中国航天科技集团公司)的标志。
研究人员在试验船的返回舱中安装了这套自主研发的“复合材料太空3D打印系统”。在飞行过程中，该系统独立完成了连续纤维增强复合材料的样品打印，验证了微重力环境下复合材料3D打印的科学实验目标。
据了解，连续纤维增强复合材料是国内外航天器结构的主要材料，密度低，强度高。开展复合材料3D打印技术研究，对空间站长期在轨运行和未来空间超大型结构在轨制造发展具有重要意义。据悉，这套复合材料太空3D打印系统来自航天五院529厂。此外，长征五号乙任务还有其他3D打印任务。为了进一步提高制造精度，扩大可用于航天制造的材料谱系，中科院空间应用中心研究团队研制的“在轨精细成形实验装置”将创新性地采用立体光刻3D打印技术，在轨制造微米级精度的金属/陶瓷复合材料。太空失重环境是立体光刻技术面临的主要挑战之一。普通印花糊料在失重状态下无法保持稳定的形状，会爬壁导致液面波动，影响印花。国内外利用失重飞行器进行了数百次微重力环境下的实验，分析了失重状态下浆料的流变行为和内在机理。通过化学和物理方法将浆料从液体优化为软材料。软质材料特有的屈服应力在失重状态下抵抗变形、抑制爬壁，在高剪切力的作用下能恢复良好的流动性，保证了3D打印的顺利进行。
2018年，中科院空间制造技术重点实验室进行微重力下的3D打印实验。据了解，中国科学院空间制造技术(SMT)中科院重点实验室成立于2017年底，依托中国科学院空间应用工程与技术中心，是以“空间制造技术”为研究课题的科研实体。早在2018年6月13日，中科院空间制造技术重点实验室(由空间应用中心支持)研究人员在瑞士杜本多夫成功完成了国际首个微重力环境下陶瓷材料三维光刻成形技术实验和微重力环境下基于陶瓷模具的金属材料铸造技术实验，获得了多件完好的制造样品和丰富的实验数据。
微重力下光固化3D打印陶瓷样品
微重力下金属样品的3D打印
3D打印在太空中的作用和优势一般来说，当国际空间站缺乏某些工具或部件时，宇航员不得不花费数周甚至数月的时间等待地面的补给。有了太空3D打印机，技术人员可以在地球上设置物品的制造程序(即设计模型文件)，然后通过电子邮件发送到国际空间站。整个过程不到一周。实际打印时间只有4小时左右。美国、欧洲和俄罗斯都在太空3D打印领域投入了热情的研究。除了时间成本，太空3D打印节省的运输成本也很可观。空间站、基地或复杂航天器的系统由许多部分组成。虽然在建造时力求可靠，但仍面临零件损坏、系统升级等问题。如果携带大量的预制件进入太空，会大大增加高昂的发射成本。如果采用太空3D打印技术，只需要将原材料和轻型打印机带入太空，就可以在当地制造所需零件，最大限度降低发射重量，提高工作效率。未来，当人类可以从其他星球表面开采原材料时，还可以在太空中建立“零件工厂”，进一步减轻航天器的发射重量，节省空间。
图：美国NASA国际空间站上的太空3D打印机采用FDM熔融挤出技术，通过喷嘴加热，聚合物丝熔化成液态，再通过机械力从喷嘴挤出，一层一层堆叠。图片来源NASA 2014年，NASA研制的世界首台太空3D打印机抵达国际空间站，拉开了人类“太空制造”的序幕。3D打印技术在太空的运行环境与地球有很大不同，技术难度也不同。在地球上，加热的塑料、金属或其他由3D打印机挤压出的材料可以通过重力自然沉积，一层一层打印出三维物体。但在太空零重力的条件下，需要使用以给定速度旋转的离心机来保证材料沉积到位，或者修改3D打印的工艺，使设备运行顺畅。而独创的基于地球的3D打印技术，更容易适应微重力环境的月球和火星。
