在軌增材制造引領(lǐng)太空制造的未來

導言：隨著載人空間站、探月及深空探測任務推進，“太空制造”已從概念走向工程實踐。在軌增材制造(In-Space Additive Manufacturing，ISM)作為太空制造的核心落地技術(shù)，正深刻變革航天器設(shè)計、發(fā)射與運維模式。本文聚焦其國際布局、技術(shù)突破、發(fā)展趨勢及啟示建議，梳理演進脈絡，為我國太空制造技術(shù)發(fā)展提供參考。

首個在太空3D打印金屬部件

一、國際布局中的在軌增材制造

在軌增材制造(ISM)已成為全球空間技術(shù)競爭的新高地，中、美、歐三方形成各有側(cè)重的戰(zhàn)略推進路徑，國際協(xié)作同步走向深入，共同推動該技術(shù)從驗證階段邁向?qū)嶋H應用。

1.1美國：技術(shù)先行與商業(yè)生態(tài)協(xié)同

在軌增材制造領(lǐng)域，美國處于全球領(lǐng)先地位，已構(gòu)建從基礎(chǔ)驗證到產(chǎn)業(yè)化協(xié)作的完整體系，2025年進入任務集成與商業(yè)協(xié)同階段。NASA將其納入核心能力框架，通過《2025年在軌服務、裝配與制造現(xiàn)狀報告》明確戰(zhàn)略定位;持續(xù)推進國際空間站(ISS)任務，突破GRX-810新型合金等材料技術(shù)，完成輕量化結(jié)構(gòu)件、通信天線等工藝驗證;商業(yè)生態(tài)成熟，美國Redwire Space公司推進設(shè)備商業(yè)化，軍方與產(chǎn)學研協(xié)同攻關(guān)，形成“驗證能力-應用擴展-生態(tài)建設(shè)”路徑，未來聚焦多任務集成與機器人融合。

NASA在不同階段的在軌制造路線圖

GRX-810：NASA新型高溫3D打印金屬合金

1.2中國：自主驗證與平臺化推進

中國在軌增材制造布局始于2020年，新一代載人飛船試驗船完成連續(xù)纖維增強熱塑性材料在軌打印，標志進入工程驗證階段。2025年4月，中國航空制造技術(shù)研究院突破冷陰極電子槍“太空級”3D打印技術(shù)，攻克太空金屬增材制造國外壟斷難題。該技術(shù)解決微重力金屬熔滴飄移問題，鈦合金成形精度達0.1毫米級，設(shè)備體積僅為地面1/4，單次任務可節(jié)省發(fā)射成本約2300萬元，性能超越國際空間站現(xiàn)有設(shè)備。

1.3歐洲：材料工藝向承載結(jié)構(gòu)突破

歐洲空間局(ESA)聯(lián)合空客、英國克蘭菲爾德大學等研發(fā)微重力金屬3D打印系統(tǒng)，2024年在ISS(國際空間站)哥倫布實驗艙安裝首臺設(shè)備并成功打印金屬樣件，2025年返回地球完成性能測評，實現(xiàn)國際首例在軌金屬構(gòu)件系統(tǒng)驗證。該突破不僅證實金屬在軌打印可行性，更推動載荷承載部件、連接件等高端工藝發(fā)展，為大尺寸空間結(jié)構(gòu)制造提供技術(shù)支撐。

ISS上的首臺金屬3D打印機：材料與部件制造演示

1.4國際協(xié)作與多邊探索

全球科學界與工業(yè)界圍繞微重力打印工藝、材料性能調(diào)控、粉末控制、數(shù)值模擬等關(guān)鍵技術(shù)開展深入研究，跨國協(xié)作與行業(yè)標準化進程加速，為在軌增材制造全球化發(fā)展提供理論與實驗支撐

二、核心技術(shù)突破

在軌增材制造技術(shù)譜系圍繞聚合物與復合材料、金屬、生物與功能材料三大主線展開，各領(lǐng)域均實現(xiàn)關(guān)鍵突破，應用邊界持續(xù)拓展。

2.1聚合物與復合材料

國際空間站首臺3D打印機采用熔融沉積成形(FFF)工藝，打印出打印頭面板、卡扣等樣件;后續(xù)AMF項目引入聚碳酸酯、聚醚酰亞胺等工程塑料，用于在軌維修工具與非承力結(jié)構(gòu)件制造。中國則更早聚焦高性能復合材料，2020年通過新一代載人飛船試驗船驗證連續(xù)碳纖維增強熱塑性材料在軌打印可行性，為高比強度結(jié)構(gòu)制造奠定基礎(chǔ)。當前，業(yè)界正在推進PEEK等高性能聚合物及高模量纖維增強體系的空間驗證，同時構(gòu)建“真空/微重力—材料—工藝—性能”一體化模型，破解微重力環(huán)境下的固化與界面結(jié)合難題。

2.2金屬增材制造

金屬在軌增材制造面臨高溫安全與粉末污染等挑戰(zhàn)。ESA采用金屬絲材熔化沉積方案，將設(shè)備集成于密封容器內(nèi)，通過真空充氮控制氣氛，2024年成功打印不銹鋼“S形曲線”等樣件。地面對比測試證實其成形質(zhì)量達標，實現(xiàn)從“塑料工具”到“承力金屬構(gòu)件”的關(guān)鍵跨越。目前，激光定向能沉積(DED)及微重力參數(shù)數(shù)值模擬成為重要輔助手段，助力工藝窗口優(yōu)化與質(zhì)量預測。

2.3生物與功能材料

美國Redwire公司在ISS運營的“生物制造設(shè)施”，2023年成功在軌打印含活細胞的人體膝關(guān)節(jié)半月板，實現(xiàn)人類組織在軌生物打印首次演示。微重力環(huán)境對支架穩(wěn)定性與營養(yǎng)傳輸?shù)奶嵘瑸樵偕t(yī)學發(fā)展提供新路徑。此外，流體成形技術(shù)利用微重力制備高平滑度光學透鏡，推動增材制造從結(jié)構(gòu)材料向功能材料延伸，拓展高附加值應用場景。

國際空間站內(nèi)首次3D生物打印膝部半月板

三、發(fā)展趨勢與推進建議

在軌增材制造正朝著任務內(nèi)應用、在軌一體化服務、高附加值產(chǎn)品制造三大方向演進，需從技術(shù)研發(fā)、任務設(shè)計、系統(tǒng)集成等多維度精準發(fā)力，推動高質(zhì)量發(fā)展。

3.1技術(shù)演進核心趨勢

在軌增材制造的技術(shù)演進正呈現(xiàn)多維度深化態(tài)勢，首要方向是從“樣件驗證”階段邁向“任務內(nèi)應用”，逐步將打印件融入非關(guān)鍵載荷支撐、光學支架等實際航天任務場景。在此基礎(chǔ)上，技術(shù)發(fā)展進一步趨向與在軌裝配、服務的一體化融合，通過標準化設(shè)計適配機器人作業(yè)需求，為大型空間設(shè)施提供全流程保障服務。與此同時，高附加值產(chǎn)品制造成為重要拓展方向，重點聚焦高端光纖、功能晶體、生物組織等領(lǐng)域，助力培育空間經(jīng)濟新的驅(qū)動力。值得關(guān)注的是，該技術(shù)與空間能源系統(tǒng)的融合已成為新興熱點，例如德國Dcubed公司研發(fā)的在軌打印太陽能發(fā)電組件計劃于2026-2027年開展在軌演示，推動制造能力向空間能源基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域延伸。

3.2發(fā)展啟示與推進建議

(1)夯實材料機理基礎(chǔ)，強化基礎(chǔ)研究支撐

應優(yōu)先聚焦航天領(lǐng)域高頻應用材料，系統(tǒng)開展微重力環(huán)境下材料熔融、凝固及界面結(jié)合機理研究，破解真空/微重力與地面環(huán)境的工藝差異難題。同時引入集成計算材料工程(ICME)理念，多尺度熱力-組織耦合模型，為工藝參數(shù)優(yōu)化、缺陷預測提供堅實理論依據(jù)，從源頭提升在軌制造的可靠性。

(2)分級推進試驗驗證，加速技術(shù)落地轉(zhuǎn)化

建議建立“地面預研、近地模擬、在軌驗證”的分級推進體系，充分利用熱真空艙、落塔、拋物線飛行等平臺完成前期參數(shù)篩選與風險收斂，降低在軌驗證成本。同時推動示范任務與實際應用場景深度綁定，設(shè)計在軌打印專用支架、艙外構(gòu)件修補件等小型任務，推動技術(shù)盡早融入航天任務鏈條，實現(xiàn)從“演示驗證”到“實際應用”的跨越。

(3)統(tǒng)籌系統(tǒng)集成設(shè)計，構(gòu)建良性經(jīng)濟生態(tài)

需將在軌增材制造納入空間基礎(chǔ)設(shè)施體系統(tǒng)籌規(guī)劃，與在軌機器人、在軌服務等任務協(xié)同設(shè)計，形成“制造、裝配和維護”一體化解決方案。同時建立全壽命周期經(jīng)濟評估體系，量化對比“地面制造發(fā)射備件”與“在軌制造原料發(fā)射”兩種模式的綜合效益，為戰(zhàn)略決策提供數(shù)據(jù)支撐。此外，應重視技術(shù)的地面反向溢出價值，推動太空驗證的高端制造工藝在極端工況構(gòu)件等領(lǐng)域落地，促成太空研發(fā)與地面應用的雙向賦能格局。

(4)推動交叉技術(shù)融合，強化安全商業(yè)賦能

加速人工智能、數(shù)字孿生等技術(shù)與在軌增材制造的深度融合，利用AI/生成式設(shè)計優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)，借助高保真仿真平臺降低在軌測試成本。同時強化安全運維體系建設(shè)，開展增材部件長期可靠性與空間碎片風險驗證，保障在軌制造安全。在商業(yè)生態(tài)方面，可依托商業(yè)空間站布局在軌制造服務業(yè)務，構(gòu)建“按需生產(chǎn)和維修保障”的商業(yè)服務網(wǎng)絡，培育空間經(jīng)濟新增長點。(來源：北京藍德信息科技有限公司)

參考文獻

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