在軌增材制造引領太空制造的未來

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，正深刻變革航天器設計、發射與運維模式。本文聚焦其國際布局、技術突破、發展趨勢及啟示建議，梳理演進脈絡，為我國太空制造技術發展提供參考。

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競爭的新高地，中、美、歐三方形成各有側重的戰略推進路徑，國際協作同步走向深入，共同推動該技術從驗證階段邁向實際應用。

1.1美國：技術先行與商業生態協同

在軌增材制造領域，美國處于全球領先地位，已構建從基礎驗證到產業化協作的完整體系，2025年進入任務集成與商業協同階段。NASA將其納入核心能力框架，通過《2025年在軌服務、裝配與制造現狀報告》明確戰略定位;持續推進國際空間站(ISS)任務，突破GRX-810新型合金等材料技術，完成輕量化結構件、通信天線等工藝驗證;商業生態成熟，美國Redwire Space公司推進設備商業化，軍方與產學研協同攻關，形成“驗證能力-應用擴展-生態建設”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，中國航空制造技術研究院突破冷陰極電子槍“太空級”3D打印技術，攻克太空金屬增材制造國外壟斷難題。該技術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，設備體積僅為地面1/4，單次任務可節省發射成本約2300萬元，性能超越國際空間站現有設備。

1.3歐洲：材料工藝向承載結構突破

歐洲空間局(ESA)聯合空客、英國克蘭菲爾德大學等研發微重力金屬3D打印系統，2024年在ISS(國際空間站)哥倫布實驗艙安裝首臺設備并成功打印金屬樣件，2025年返回地球完成性能測評，實現國際首例在軌金屬構件系統驗證。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展，為大尺寸空間結構制造提供技術支撐。

ISS上的首臺金屬3D打印機：材料與部件制造演示

1.4國際協作與多邊探索

全球科學界與工業界圍繞微重力打印工藝、材料性能調控、粉末控制、數值模擬等關鍵技術開展深入研究，跨國協作與行業標準化進程加速，為在軌增材制造全球化發展提供理論與實驗支撐

二、核心技術突破

在軌增材制造技術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，各領域均實現關鍵突破，應用邊界持續拓展。

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構件制造。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碳纖維增強熱塑性材料在軌打印可行性，為高比強度結構制造奠定基礎。當前，業界正在推進PEEK等高性能聚合物及高模量纖維增強體系的空間驗證，同時構建“真空/微重力—材料—工藝—性能”一體化模型，破解微重力環境下的固化與界面結合難題。

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。ESA采用金屬絲材熔化沉積方案，將設備集成于密封容器內，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量達標，實現從“塑料工具”到“承力金屬構件”的關鍵跨越。目前，激光定向能沉積(DED)及微重力參數數值模擬成為重要輔助手段，助力工藝窗口優化與質量預測。

2.3生物與功能材料

美國Redwire公司在ISS運營的“生物制造設施”，2023年成功在軌打印含活細胞的人體膝關節半月板，實現人類組織在軌生物打印首次演示。微重力環境對支架穩定性與營養傳輸的提升，為再生醫學發展提供新路徑。此外，流體成形技術利用微重力制備高平滑度光學透鏡，推動增材制造從結構材料向功能材料延伸，拓展高附加值應用場景。

國際空間站內首次3D生物打印膝部半月板

三、發展趨勢與推進建議

在軌增材制造正朝著任務內應用、在軌一體化服務、高附加值產品制造三大方向演進，需從技術研發、任務設計、系統集成等多維度精準發力，推動高質量發展。

3.1技術演進核心趨勢

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

3.2發展啟示與推進建議

(1)夯實材料機理基礎，強化基礎研究支撐

應優先聚焦航天領域高頻應用材料，系統開展微重力環境下材料熔融、凝固及界面結合機理研究，破解真空/微重力與地面環境的工藝差異難題。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，為工藝參數優化、缺陷預測提供堅實理論依據，從源頭提升在軌制造的可靠性。

(2)分級推進試驗驗證，加速技術落地轉化

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，設計在軌打印專用支架、艙外構件修補件等小型任務，推動技術盡早融入航天任務鏈條，實現從“演示驗證”到“實際應用”的跨越。

(3)統籌系統集成設計，構建良性經濟生態

需將在軌增材制造納入空間基礎設施體系統籌規劃，與在軌機器人、在軌服務等任務協同設計，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濟評估體系，量化對比“地面制造發射備件”與“在軌制造原料發射”兩種模式的綜合效益，為戰略決策提供數據支撐。此外，應重視技術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件等領域落地，促成太空研發與地面應用的雙向賦能格局。

(4)推動交叉技術融合，強化安全商業賦能

加速人工智能、數字孿生等技術與在軌增材制造的深度融合，利用AI/生成式設計優化零件結構，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，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。在商業生態方面，可依托商業空間站布局在軌制造服務業務，構建“按需生產和維修保障”的商業服務網絡，培育空間經濟新增長點。(來源：北京藍德信息科技有限公司)

參考文獻

1.NASA. 3D Printing: Saving Weight and Space at Launch [EB/OL]. ISS Research, 2025.

2.ESA. First Metal Part 3D Printed in Space [EB/OL]. European Space Agency, 2024.

3.Airbus. Behind the Scenes of the First Metal Part to Be 3D-Printed Aboard the ISS [EB/OL]. Airbus, 2024.

4.Redwire. BioFabrication Facility Successfully Prints First Human Knee Meniscus on Orbit [EB/OL]. BusinessWire Press Release, 2023.

5.Hoffmann, M., Elwany, A. In-Space Additive Manufacturing: A Review [J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2023, 145(2): 020801.

6.NASA. In?Space Servicing, Assembly, and Manufacturing (ISAM) State of Play 2025 Edition [EB/OL]. NASA NTRS, 2025.

7.深圳市龍華區政府。知識科普：中國突破 “太空級”3D 打印技術，開啟太空制造新紀元 [EB/OL]. 2025-04-14.