圖說(shuō)太空中的3D打印

探索浩渺宇宙是人類從誕生以來(lái)就孜孜以求的夢(mèng)想。3D打印技術(shù)是近年來(lái)最重要的技術(shù)發(fā)展方向之一，被譽(yù)為“將改變二十一世紀(jì)人類生活和生產(chǎn)的重大技術(shù)突破之一”。這兩者的結(jié)合賦予了“太空中的3D打印”極高的科技含量、極強(qiáng)的應(yīng)用潛力。本書(shū)從未來(lái)太空中重要的技術(shù)發(fā)展方向之一—3D打印技術(shù)出發(fā)，重點(diǎn)闡述太空中3D打印的定義、技術(shù)手段及其重要的應(yīng)用場(chǎng)景。

本書(shū)主要介紹了太空中的3D打印新技術(shù)、新應(yīng)用和未來(lái)展望。怎樣在空間飛船中實(shí)現(xiàn)“廢物回收利用”？怎樣在月球表面打印“房子”？在深空探測(cè)任務(wù)中飛船的零部件出現(xiàn)故障了怎么辦？這些有趣的問(wèn)題都將在本書(shū)中找到答案。

本書(shū)結(jié)合了作者及其研究團(tuán)隊(duì)多年來(lái)在衛(wèi)星載荷新技術(shù)研究領(lǐng)域積累的豐富工程經(jīng)驗(yàn)和深厚的理論基礎(chǔ)，圖例翔實(shí)、深入淺出，兼具科普性與科研性。開(kāi)卷有益，愿每一位翻開(kāi)本書(shū)的讀者能以此為支點(diǎn)，撬動(dòng)屬于自己的星辰大海之旅。


　

（1）從太空中的3D打印的基本概念和原理出發(fā)，采用詳實(shí)的圖例說(shuō)明了太空中的3D打印技術(shù)發(fā)展路線、目前現(xiàn)狀和可能的發(fā)展趨勢(shì)。 （2）結(jié)合了作者及其研究團(tuán)隊(duì)多年來(lái)在衛(wèi)星載荷新技術(shù)研究領(lǐng)域積累的豐富工程經(jīng)驗(yàn)和深厚的理論基礎(chǔ)，圖例詳實(shí)、深入淺出，內(nèi)容兼顧基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)上，以問(wèn)題引導(dǎo)、基礎(chǔ)理論介紹、具體應(yīng)用、未來(lái)發(fā)展為編寫(xiě)思路，重點(diǎn)講述了3D打印衛(wèi)星、在軌3D打印、深空探測(cè)中的3D打印等目前熱門研究?jī)?nèi)容。

太空中的3D打印在衛(wèi)星設(shè)計(jì)與制造、火箭研發(fā)、空間飛船在軌全生命周期安全運(yùn)行、深空探測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力，是中國(guó)、美國(guó)以及歐洲各國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的太空關(guān)鍵技術(shù)之一，在一定程度上影響著月球基地建設(shè)、深空航行與探測(cè)等國(guó)家重大工程的研究進(jìn)程，也是廣大科研工作者和航天科技愛(ài)好者重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域之一。
3D打印，也稱為增材制造，通過(guò)將原材料逐層沉積疊加的增材制造工藝構(gòu)建，是從數(shù)字模型文件創(chuàng)建三維實(shí)物對(duì)象的制造過(guò)程，也是從虛擬構(gòu)想空間到現(xiàn)實(shí)物理世界一種直觀的表達(dá)方法。3D打印既是與時(shí)俱進(jìn)的新技術(shù)，也是頗具歷史的成熟想法。早在20世紀(jì)40年代，從3D打印概念萌芽伊始，科學(xué)家們就一直嘗試用這種直觀的手段來(lái)堆出構(gòu)想的結(jié)構(gòu)。但直到20世紀(jì)80年代，世界上首臺(tái)結(jié)合了電腦繪圖、固態(tài)激光與樹(shù)脂固化技術(shù)的商業(yè)3D打印機(jī)橫空出世，3D打印無(wú)法實(shí)現(xiàn)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(jié)、光固化等多種打印工藝的發(fā)明，3D打印已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)從聚合物、陶瓷、金屬到非晶合金等多種材料基的復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造。
3D打印是一項(xiàng)革命性的制造技術(shù)，因其顛覆性的工藝手段以及改變當(dāng)前制造工藝的巨大潛力，在各行各業(yè)引起了廣泛關(guān)注，被譽(yù)為工業(yè)4.0時(shí)代的關(guān)鍵技術(shù)之一。未來(lái)，人類還將開(kāi)拓更廣闊的空間，3D打印正助力人類的太空探索之路。對(duì)于包括在軌工作、空間旅行、深空探測(cè)、行星基地建設(shè)之類的航天活動(dòng)而言，由于原材料稀缺、運(yùn)輸成本高昂和周期漫長(zhǎng)等一系列問(wèn)題，使得太空3D打印成為突破航天任務(wù)物資缺乏局限性的關(guān)鍵手段。3D打印可以幫助航天員在太空中按需創(chuàng)建物體，如用于維修的替換零件、科學(xué)實(shí)驗(yàn)的定制設(shè)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(guó)航天局正在考慮不久的將來(lái)在月球甚至火星上建設(shè)3D打印星球基地。
本書(shū)采用圖說(shuō)的方式，圍繞國(guó)內(nèi)外太空中3D打印技術(shù)的應(yīng)用和構(gòu)想展望進(jìn)行闡述。全書(shū)包括四大部分、八個(gè)章節(jié)的內(nèi)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(shù)，闡述了為什么要在太空中發(fā)展3D打印技術(shù)、與地面的區(qū)別以及所面臨的挑戰(zhàn)；第二部分主要介紹了在軌3D打印的技術(shù)現(xiàn)狀和一些應(yīng)用實(shí)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(shù)的應(yīng)用；第四部分則描述了未來(lái)太空中3D打印的發(fā)展展望，以及3D打印對(duì)未來(lái)星際旅行中航天員生存、醫(yī)療和飛行任務(wù)等物資的自我補(bǔ)給的技術(shù)構(gòu)想。
本書(shū)的第1～5章由李韻研究員編寫(xiě)，第6章、第7章由封國(guó)寶博士編寫(xiě)，第8章由李小軍研究員編寫(xiě)。本書(shū)還得到了多位專家學(xué)者的指導(dǎo)，在此感謝中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院董士偉、李琪、葛錦蔓、劉碩、李亞峰對(duì)本書(shū)提供的寶貴意見(jiàn)和支持。感謝西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司陳彬、熊依萌對(duì)本書(shū)提供的寶貴意見(jiàn)和部分插圖。本書(shū)的部分工作獲得國(guó)家中組部青年拔尖人才項(xiàng)目、陜西省“特支”計(jì)劃青年拔尖人才項(xiàng)目、自然科學(xué)基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào) 12175176、61901360）的資助。
太空中的3D打印是新興的、涉及交叉學(xué)科的細(xì)分技術(shù)領(lǐng)域。近年來(lái)，各航天大國(guó)在計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、智能制造技術(shù)突飛猛進(jìn)式發(fā)展的支撐下，逐步規(guī)劃3D打印的發(fā)展藍(lán)圖。編寫(xiě)一部通俗易懂、介紹工程應(yīng)用實(shí)踐的太空中的3D打印技術(shù)的科普類書(shū)籍，歸納當(dāng)前的技術(shù)現(xiàn)狀和未來(lái)展望，正當(dāng)其時(shí)。本書(shū)在編寫(xiě)的過(guò)程中參考和引用了部分國(guó)內(nèi)外航天機(jī)構(gòu)的相關(guān)資料，本書(shū)的完成得益于這些開(kāi)創(chuàng)性工作的構(gòu)想和實(shí)現(xiàn)，在此深表感謝。
由于編著者水平有限，加之時(shí)間倉(cāng)促，書(shū)中難免有諸多不當(dāng)之處，敬請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。

編著者
2022年8月

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(wèi)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(zhàn) 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(shù) 12
2.1　熔融沉積成型3D 打印技術(shù) 12
2.2　電子束熔絲沉積成型3D 打印技術(shù) 15
2.3　選擇性激光燒結(jié)3D 打印技術(shù) 17
2.4　光固化成型3D 打印技術(shù) 18
2.5　聚光太陽(yáng)能發(fā)電3D 打印技術(shù) 20

第3章3D打印人造衛(wèi)星與火箭 21
3.1　適合在太空中應(yīng)用的3D 打印材料 22
3.2　3D 打印人造衛(wèi)星零部件 27
3.3　3D 打印衛(wèi)星整體結(jié)構(gòu) 36
3.4　3D 打印火箭 39
3.5　3D 打印發(fā)動(dòng)機(jī)組件 46
3.6　3D 打印小衛(wèi)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(zhàn) 54
4.2　微重力3D 打印設(shè)備 57
4.3　在軌3D 打印復(fù)合材料 58
4.4　在軌3D 打印衛(wèi)星零部件 60
4.5　材料在軌循環(huán)利用 61
4.6　在軌建造與組裝 63
4.7　在軌3D 打印衛(wèi)星 70

第5章深空探測(cè)中的3D打印 71
5.1　3D 打印月球等星球基地面臨的挑戰(zhàn) 73
5.2　打印星球基地需要的原材料從哪里來(lái) 74
5.3　各國(guó)月球基地3D 打印技術(shù)最新進(jìn)展 77
5.4　火星基地中的3D 打印 89
5.5　深空探測(cè)儀器中的3D 打印 92
5.6　適用于深空探測(cè)極端溫度環(huán)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(fù)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(tài) 114

第7章太空3D打印的技術(shù)應(yīng)用 118
7.1　耐高溫3D 打印技術(shù) 118
7.2　復(fù)雜結(jié)構(gòu)型3D 打印技術(shù) 122
7.3　高利用率的3D 打印技術(shù) 127
7.4　集成化的3D 打印技術(shù) 134
7.5　輕量化3D 打印技術(shù) 136

第8章太空中的3D打印未來(lái)發(fā)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(bǔ)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(lái)源 150

參考文獻(xiàn)  151