图说太空中的3D打印

探索浩渺宇宙是人类从诞生以来就孜孜以求的梦想。3D打印技术是近年来最重要的技术发展方向之一，被誉为“将改变二十一世纪人类生活和生产的重大技术突破之一”。这两者的结合赋予了“太空中的3D打印”极高的科技含量、极强的应用潜力。本书从未来太空中重要的技术发展方向之一—3D打印技术出发，重点阐述太空中3D打印的定义、技术手段及其重要的应用场景。

本书主要介绍了太空中的3D打印新技术、新应用和未来展望。怎样在空间飞船中实现“废物回收利用”？怎样在月球表面打印“房子”？在深空探测任务中飞船的零部件出现故障了怎么办？这些有趣的问题都将在本书中找到答案。

本书结合了作者及其研究团队多年来在卫星载荷新技术研究领域积累的丰富工程经验和深厚的理论基础，图例翔实、深入浅出，兼具科普性与科研性。开卷有益，愿每一位翻开本书的读者能以此为支点，撬动属于自己的星辰大海之旅。


　

（1）从太空中的3D打印的基本概念和原理出发，采用详实的图例说明了太空中的3D打印技术发展路线、目前现状和可能的发展趋势。 （2）结合了作者及其研究团队多年来在卫星载荷新技术研究领域积累的丰富工程经验和深厚的理论基础，图例详实、深入浅出，内容兼顾基础性、科普性和科研性，能够满足不同读者不同的阅读需求。 （3）结构上，以问题引导、基础理论介绍、具体应用、未来发展为编写思路，重点讲述了3D打印卫星、在轨3D打印、深空探测中的3D打印等目前热门研究内容。

太空中的3D打印在卫星设计与制造、火箭研发、空间飞船在轨全生命周期安全运行、深空探测等领域具有广泛的应用潜力，是中国、美国以及欧洲各国重点发展的太空关键技术之一，在一定程度上影响着月球基地建设、深空航行与探测等国家重大工程的研究进程，也是广大科研工作者和航天科技爱好者重点关注的领域之一。
3D打印，也称为增材制造，通过将原材料逐层沉积叠加的增材制造工艺构建，是从数字模型文件创建三维实物对象的制造过程，也是从虚拟构想空间到现实物理世界一种直观的表达方法。3D打印既是与时俱进的新技术，也是颇具历史的成熟想法。早在20世纪40年代，从3D打印概念萌芽伊始，科学家们就一直尝试用这种直观的手段来堆出构想的结构。但直到20世纪80年代，世界上首台结合了电脑绘图、固态激光与树脂固化技术的商业3D打印机横空出世，3D打印无法实现的禁锢就此被打破。在此之后，随着各种可用于打印的材料的使用以及包括熔融沉积、激光烧结、光固化等多种打印工艺的发明，3D打印已经可以实现从聚合物、陶瓷、金属到非晶合金等多种材料基的复杂结构制造。
3D打印是一项革命性的制造技术，因其颠覆性的工艺手段以及改变当前制造工艺的巨大潜力，在各行各业引起了广泛关注，被誉为工业4.0时代的关键技术之一。未来，人类还将开拓更广阔的空间，3D打印正助力人类的太空探索之路。对于包括在轨工作、空间旅行、深空探测、行星基地建设之类的航天活动而言，由于原材料稀缺、运输成本高昂和周期漫长等一系列问题，使得太空3D打印成为突破航天任务物资缺乏局限性的关键手段。3D打印可以帮助航天员在太空中按需创建物体，如用于维修的替换零件、科学实验的定制设备，甚至食物和建筑物之类的人类移居太空的必需品，变革性地改变太空探索方式。目前，各国航天局正在考虑不久的将来在月球甚至火星上建设3D打印星球基地。
本书采用图说的方式，围绕国内外太空中3D打印技术的应用和构想展望进行阐述。全书包括四大部分、八个章节的内容。其中，第一部分主要介绍了3D打印的概念和目前主流的3D打印技术，阐述了为什么要在太空中发展3D打印技术、与地面的区别以及所面临的挑战；第二部分主要介绍了在轨3D打印的技术现状和一些应用实例；第三部分主要介绍了太空中3D打印所使用的新材料和新技术的应用；第四部分则描述了未来太空中3D打印的发展展望，以及3D打印对未来星际旅行中航天员生存、医疗和飞行任务等物资的自我补给的技术构想。
本书的第1～5章由李韵研究员编写，第6章、第7章由封国宝博士编写，第8章由李小军研究员编写。本书还得到了多位专家学者的指导，在此感谢中国空间技术研究院西安分院董士伟、李琪、葛锦蔓、刘硕、李亚峰对本书提供的宝贵意见和支持。感谢西安铂力特增材技术股份有限公司陈彬、熊依萌对本书提供的宝贵意见和部分插图。本书的部分工作获得国家中组部青年拔尖人才项目、陕西省“特支”计划青年拔尖人才项目、自然科学基金项目（项目编号 12175176、61901360）的资助。
太空中的3D打印是新兴的、涉及交叉学科的细分技术领域。近年来，各航天大国在计算机技术、机器人技术、智能制造技术突飞猛进式发展的支撑下，逐步规划3D打印的发展蓝图。编写一部通俗易懂、介绍工程应用实践的太空中的3D打印技术的科普类书籍，归纳当前的技术现状和未来展望，正当其时。本书在编写的过程中参考和引用了部分国内外航天机构的相关资料，本书的完成得益于这些开创性工作的构想和实现，在此深表感谢。
由于编著者水平有限，加之时间仓促，书中难免有诸多不当之处，敬请广大读者批评指正。

编著者
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　为什么要3D 打印卫星等航天器 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 打印所面临的挑战 9
1.5　太空中的3D 打印展望 10

第2章目前已有的3D打印技术 12
2.1　熔融沉积成型3D 打印技术 12
2.2　电子束熔丝沉积成型3D 打印技术 15
2.3　选择性激光烧结3D 打印技术 17
2.4　光固化成型3D 打印技术 18
2.5　聚光太阳能发电3D 打印技术 20

第3章3D打印人造卫星与火箭 21
3.1　适合在太空中应用的3D 打印材料 22
3.2　3D 打印人造卫星零部件 27
3.3　3D 打印卫星整体结构 36
3.4　3D 打印火箭 39
3.5　3D 打印发动机组件 46
3.6　3D 打印小卫星 48

第4章在轨3D打印 52
4.1　空间飞船等在轨3D 打印中面临的挑战 54
4.2　微重力3D 打印设备 57
4.3　在轨3D 打印复合材料 58
4.4　在轨3D 打印卫星零部件 60
4.5　材料在轨循环利用 61
4.6　在轨建造与组装 63
4.7　在轨3D 打印卫星 70

第5章深空探测中的3D打印 71
5.1　3D 打印月球等星球基地面临的挑战 73
5.2　打印星球基地需要的原材料从哪里来 74
5.3　各国月球基地3D 打印技术最新进展 77
5.4　火星基地中的3D 打印 89
5.5　深空探测仪器中的3D 打印 92
5.6　适用于深空探测极端温度环境的打印新材料 96

第6章太空3D打印的新材料 98
6.1　金属材料的3D 打印 98
6.2　复合材料的3D 打印 105
6.3　仿生材料的3D 打印 110
6.4　打印材料的状态 114

第7章太空3D打印的技术应用 118
7.1　耐高温3D 打印技术 118
7.2　复杂结构型3D 打印技术 122
7.3　高利用率的3D 打印技术 127
7.4　集成化的3D 打印技术 134
7.5　轻量化3D 打印技术 136

第8章太空中的3D打印未来发展 140
8.1　太空中食品的3D 打印 140
8.2　星际旅行中飞船零部件的补给 141
8.3　星际旅行中航天员得了重病怎么办 143
8.4　3D 打印太空着陆器 148

主要资料来源 150

参考文献  151