在軌增材制造引領(lǐng)太空制造的未來

導(dǎo)言：隨著載人空間站、探月及深空探測任務(wù)推進(jìn)，“太空制造”已從概念走向工程實(shí)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(jì)、發(fā)射與運(yùn)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(jìn)脈絡(luò)，為我國太空制造技術(shù)發(fā)展提供參考。

首個(gè)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(jìn)路徑，國際協(xié)作同步走向深入，共同推動(dòng)該技術(shù)從驗(yàn)證階段邁向?qū)嶋H應(yīng)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(yàn)證到產(chǎn)業(yè)化協(xié)作的完整體系，2025年進(jìn)入任務(wù)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(wù)、裝配與制造現(xiàn)狀報(bào)告》明確戰(zhàn)略定位;持續(xù)推進(jìn)國際空間站(ISS)任務(wù)，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(yàn)證;商業(yè)生態(tài)成熟，美國Redwire Space公司推進(jìn)設(shè)備商業(yè)化，軍方與產(chǎn)學(xué)研協(xié)同攻關(guān)，形成“驗(yàn)證能力-應(yīng)用擴(kuò)展-生態(tài)建設(shè)”路徑，未來聚焦多任務(wù)集成與機(jī)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(yàn)證與平臺(tái)化推進(jìn)

中國在軌增材制造布局始于2020年，新一代載人飛船試驗(yàn)船完成連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性材料在軌打印，標(biāo)志進(jìn)入工程驗(yàn)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(jí)”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(dá)0.1毫米級(jí)，設(shè)備體積僅為地面1/4，單次任務(wù)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(xué)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(shí)驗(yàn)艙安裝首臺(tái)設(shè)備并成功打印金屬樣件，2025年返回地球完成性能測評(píng)，實(shí)現(xiàn)國際首例在軌金屬構(gòu)件系統(tǒng)驗(yàn)證。該突破不僅證實(shí)金屬在軌打印可行性，更推動(dòng)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(tái)金屬3D打印機(jī)：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(xué)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(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程加速，為在軌增材制造全球化發(fā)展提供理論與實(shí)驗(yàn)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(fù)合材料、金屬、生物與功能材料三大主線展開，各領(lǐng)域均實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵突破，應(yīng)用邊界持續(xù)拓展。

2.1聚合物與復(fù)合材料

國際空間站首臺(tái)3D打印機(jī)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(xiàng)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(fù)合材料，2020年通過新一代載人飛船試驗(yàn)船驗(yàn)證連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性材料在軌打印可行性，為高比強(qiáng)度結(jié)構(gòu)制造奠定基礎(chǔ)。當(dāng)前，業(yè)界正在推進(jìn)PEEK等高性能聚合物及高模量纖維增強(qiáng)體系的空間驗(yàn)證，同時(shí)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(duì)比測試證實(shí)其成形質(zhì)量達(dá)標(biāo)，實(shí)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(yù)測。

2.3生物與功能材料

美國Redwire公司在ISS運(yùn)營的“生物制造設(shè)施”，2023年成功在軌打印含活細(xì)胞的人體膝關(guān)節(jié)半月板，實(shí)現(xiàn)人類組織在軌生物打印首次演示。微重力環(huán)境對(duì)支架穩(wěn)定性與營養(yǎng)傳輸?shù)奶嵘瑸樵偕t(yī)學(xué)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(xué)透鏡，推動(dòng)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(yīng)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(jìn)建議

在軌增材制造正朝著任務(wù)內(nèi)應(yīng)用、在軌一體化服務(wù)、高附加值產(chǎn)品制造三大方向演進(jìn)，需從技術(shù)研發(fā)、任務(wù)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成等多維度精準(zhǔn)發(fā)力，推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展。

3.1技術(shù)演進(jìn)核心趨勢

在軌增材制造的技術(shù)演進(jìn)正呈現(xiàn)多維度深化態(tài)勢，首要方向是從“樣件驗(yàn)證”階段邁向“任務(wù)內(nèi)應(yīng)用”，逐步將打印件融入非關(guān)鍵載荷支撐、光學(xué)支架等實(shí)際航天任務(wù)場景。在此基礎(chǔ)上，技術(shù)發(fā)展進(jìn)一步趨向與在軌裝配、服務(wù)的一體化融合，通過標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)適配機(jī)器人作業(yè)需求，為大型空間設(shè)施提供全流程保障服務(wù)。與此同時(shí)，高附加值產(chǎn)品制造成為重要拓展方向，重點(diǎn)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(jì)新的驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，例如德國Dcubed公司研發(fā)的在軌打印太陽能發(fā)電組件計(jì)劃于2026-2027年開展在軌演示，推動(dòng)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(jìn)建議

(1)夯實(shí)材料機(jī)理基礎(chǔ)，強(qiáng)化基礎(chǔ)研究支撐

應(yīng)優(yōu)先聚焦航天領(lǐng)域高頻應(yīng)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(jī)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(shí)引入集成計(jì)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(yù)測提供堅(jiān)實(shí)理論依據(jù)，從源頭提升在軌制造的可靠性。

(2)分級(jí)推進(jìn)試驗(yàn)驗(yàn)證，加速技術(shù)落地轉(zhuǎn)化

建議建立“地面預(yù)研、近地模擬、在軌驗(yàn)證”的分級(jí)推進(jìn)體系，充分利用熱真空艙、落塔、拋物線飛行等平臺(tái)完成前期參數(shù)篩選與風(fēng)險(xiǎn)收斂，降低在軌驗(yàn)證成本。同時(shí)推動(dòng)示范任務(wù)與實(shí)際應(yīng)用場景深度綁定，設(shè)計(jì)在軌打印專用支架、艙外構(gòu)件修補(bǔ)件等小型任務(wù)，推動(dòng)技術(shù)盡早融入航天任務(wù)鏈條，實(shí)現(xiàn)從“演示驗(yàn)證”到“實(shí)際應(yīng)用”的跨越。

(3)統(tǒng)籌系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)，構(gòu)建良性經(jīng)濟(jì)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(jī)器人、在軌服務(wù)等任務(wù)協(xié)同設(shè)計(jì)，形成“制造、裝配和維護(hù)”一體化解決方案。同時(shí)建立全壽命周期經(jīng)濟(jì)評(píng)估體系，量化對(duì)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(yīng)重視技術(shù)的地面反向溢出價(jià)值，推動(dòng)太空驗(yàn)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(yīng)用的雙向賦能格局。

(4)推動(dòng)交叉技術(shù)融合，強(qiáng)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(jì)優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)，借助高保真仿真平臺(tái)降低在軌測試成本。同時(shí)強(qiáng)化安全運(yùn)維體系建設(shè)，開展增材部件長期可靠性與空間碎片風(fēng)險(xiǎn)驗(yàn)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(wù)業(yè)務(wù)，構(gòu)建“按需生產(chǎn)和維修保障”的商業(yè)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，培育空間經(jīng)濟(jì)新增長點(diǎn)。(來源：北京藍(lán)德信息科技有限公司)

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