梁靜靜，楊彥紅，金 濤，周亦胄，孫曉峰

金屬材料空間3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀

梁靜靜，楊彥紅，金 濤，周亦胄，孫曉峰

（中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，沈陽(yáng)110016）

空間3D打印技術(shù)對(duì)航天器維護(hù)及深空探測(cè)具有重要意義。結(jié)合金屬材料3D打印技術(shù)的特點(diǎn)及空間的微重力環(huán)境，從熱源適應(yīng)性、材料適應(yīng)性、成形工藝適應(yīng)性等方面探討了金屬空間3D打印所面臨的困難。在此基礎(chǔ)上，提出了空間3D打印宜選取電子束或激光為熱源、絲材為原料的技術(shù)方案，并簡(jiǎn)述了目前國(guó)際上3D打印技術(shù)在微重力環(huán)境下金屬材料制備方面的研究現(xiàn)狀，分析了微重力條件下金屬材料凝固時(shí)氣孔等凝固缺陷的形成及元素偏析行為。圍繞空間站建設(shè)和載人深空探測(cè)需求，討論了金屬材料空間3D打印在空間站自我修復(fù)及金屬構(gòu)件在軌制備等方面的應(yīng)用前景。

空間3D打?。唤饘贅?gòu)件；微重力；空間站

Abstract：3D printing technology in space is of great significance to the maintenance of spacecraft and deep space exploration.The difficulties of metal 3D printing in space were discussed from several aspects including the heat source adaptability， the material adaptability， the process adaptability and so on.On this basis，it is proposed that 3D printing in space should choose electron beam or laser as the heat source and wire as the input material state.The current status of 3D printing for metal hardware under micro-gravity was briefly introduced.The influence of reduced gravity on the solidification behavior and microstructures of metals was analyzed.Finally，the prospect of 3D printing in space station construction and manned deep space exploration was discussed.

Key words：3D printing in space； metal hardware； microgravity； space station

1 引言

增材制造（Additive Manufacturing，又稱3D打印技術(shù)）是一種新興的先進(jìn)制造技術(shù)。與傳統(tǒng)工藝相比，增材制造是利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)三維圖形，而后采用“逐點(diǎn)掃描成型”以實(shí)現(xiàn)零部件的近凈成形［1］。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，其獨(dú)特的工藝特點(diǎn)在航天器維護(hù)及空間武器的在軌制造方面展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景［2］：不僅可以實(shí)現(xiàn)在軌設(shè)計(jì)、制備一些具備特殊功能的新零件，實(shí)現(xiàn)航天器的自我修復(fù)和更新?lián)Q代，還有望實(shí)現(xiàn)在航天器內(nèi)直接制備工業(yè)、軍事需要的皮衛(wèi)星、納衛(wèi)星和具有戰(zhàn)略功能的在軌平臺(tái)，甚至可將捕獲的航天器進(jìn)行拆卸，在軌道上組裝出新的航天器或空間武器。

目前，我國(guó)正在進(jìn)行空間站建設(shè)、載人航天計(jì)劃和月球探測(cè)計(jì)劃［3］。如果實(shí)現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)件的空間制造、空間廢棄零部件的回收再制造、月球資源的利用與原位制造等，將對(duì)我國(guó)空間探索產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。

與地面環(huán)境相比，空間環(huán)境極為特殊：微重力（10-5～10-6g）、超高真空（低于 1.33 ×10-4～10-7Pa）、強(qiáng)輻射、溫度變化幅度大（-200～+90℃）等［4］，這些因素對(duì)在軌3D打印工藝和材料提出了特殊要求。其中，影響空間站艙內(nèi)在軌3D打印的主要因素是微重力，它將顯著影響3D打印過(guò)程中材料的粘接固化過(guò)程，直接關(guān)系到零件能否成形、是否具有良好的使役性能。目前，無(wú)論是針對(duì)金屬材料還是非金屬材料，地面上重力條件下的3D打印技術(shù)很多，且有些技術(shù)的成熟度很高，已經(jīng)獲得了工業(yè)應(yīng)用［5-6］。國(guó)外于上個(gè)世紀(jì)開(kāi)始了微重力條件下3D打印的相關(guān)研究工作，已經(jīng)取得了重大研究進(jìn)展［7］。但是，受到太空環(huán)境特殊性及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證困難的限制，目前尚未有3D打印技術(shù)在太空獲得推廣應(yīng)用。

早在1999年，美國(guó)航空航天局（NASA）蘭利研究中心和約翰遜航天中心就非金屬材料的空間3D打印技術(shù)開(kāi)始了相關(guān)的研究工作［7］。2014年9月，NASA向國(guó)際空間站（ISS）運(yùn)送了世界上首臺(tái)3D打印機(jī)。該3D打印機(jī)采用熔融沉積技術(shù)（FDM），由太空制造公司（MADE IN SPACE）制造［8-9］，已在太空中成功制備了一些塑料材質(zhì)的工具（圖1）。歐洲航天局（ESA）在2015年將一臺(tái)FDM 3D打印機(jī)（圖2）送入空間站進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)［10］，該設(shè)備由意大利Altran公司研制，其內(nèi)部空間尺寸約25×25×25 cm3，可制備生物降解材料或無(wú)毒塑料。近年來(lái)，西安交通大學(xué)提出了連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料3D打印新工藝方法［3］，初步完成了熱塑性復(fù)合材料3D打印噴頭的試制。2016年，我國(guó)中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用中心與中科院重慶智能研究院共同研制成功了國(guó)內(nèi)首臺(tái)空間FDM 3D打印機(jī)，并在法國(guó)波爾多完成了拋物線失重飛行試驗(yàn)［11］。他們對(duì)五種材料和兩種制造工藝進(jìn)行了微重力環(huán)境下的驗(yàn)證與探索，其中包含了NASA從未嘗試過(guò)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，獲取了不同材料與工藝在微重力環(huán)境下的特性數(shù)據(jù)。俄羅斯西伯利亞的托木斯克理工大學(xué)高科技物理研究所等4家單位于2016年也宣布聯(lián)合研制了該國(guó)首臺(tái)太空3D打印機(jī)樣機(jī)［12］，計(jì)劃在2018年送入國(guó)際空間站進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。

本文根據(jù)地面上3D打印的工藝特點(diǎn)和空間環(huán)境特性，探討金屬材料空間3D打印的制約因素，簡(jiǎn)述國(guó)際上微重力環(huán)境下金屬材料3D打印實(shí)驗(yàn)結(jié)果及微重力環(huán)境對(duì)材料凝固行為的影響規(guī)律；分析金屬材料空間3D打印在航天器維護(hù)及空間武器在軌制造方面展現(xiàn)出的應(yīng)用前景。

圖1 Made in Space公司制造的太空3D打印機(jī)［8］Fig.1 3D printer made by Made in Space Inc［8］

圖2 歐盟空間3D打印機(jī)模型［10］Fig.2 3D printer model made by European Union［10］

2 金屬材料空間3D打印制約因素

地面重力條件下，3D打印已經(jīng)從制備塑料向制備金屬材料領(lǐng)域邁進(jìn)，且已取得突破，如北京航空航天大學(xué)王華明院士團(tuán)隊(duì)激光3D打印的飛機(jī)鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件已實(shí)現(xiàn)裝機(jī)應(yīng)用［1］。但太空微重力環(huán)境下金屬材料的3D打印發(fā)展較為緩慢，到目前為止，尚未在空間站開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)。金屬材料空間3D打印困難與金屬材料特點(diǎn)息息相關(guān)。與塑料、樹(shù)脂等非金屬材料相比，金屬一般熔點(diǎn)較高，熔點(diǎn)高即表明需要較高的能量才能將其熔化，故必須以高能束為熱源，如電子束、激光等，這對(duì)3D打印設(shè)備提出了較高要求。金屬材料在高能束作用下，直接由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)熔體。在地面上，液態(tài)熔體主要依靠重力和熔體高壓蒸汽的反沖壓力完成與基材的粘接；微重力環(huán)境下，熔體表面張力效應(yīng)凸顯，如果3D打印工藝參數(shù)不當(dāng)，熔體在自身表面張力作用下，極易發(fā)生球化，攀附在金屬絲上，難以與基材進(jìn)行粘接［13］。由此可見(jiàn)，實(shí)現(xiàn)金屬材料的空間3D打印，必須重點(diǎn)考慮以下幾方面的問(wèn)題。

熱源適應(yīng)性：地面環(huán)境中3D打印一般以電子束或激光等高能束為熱源。在太空，雖然受到微重力、高真空等條件限制，激光器和電子槍的功能基本不受影響，可正常使用［14］?？紤]到太空能源補(bǔ)給困難、作業(yè)空間受限，因此要求3D打印裝備結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，且具有高的能源利用率。目前，先進(jìn)的電子束和激光發(fā)生裝置均能滿足上述要求［12］。

材料適應(yīng)性：太空微重力條件下，自由狀態(tài)的金屬粉末可能會(huì)以懸浮或漂浮狀存在，難以堆積和定位，導(dǎo)致同軸送粉和粉末床工藝在太空環(huán)境下不便管理，存在安全隱患，尤其在電子束成形條件下，由于高能電子束是由具有質(zhì)量的高速電子組成，金屬粉末很容易被打飛。故粉末材料在太空環(huán)境下的適應(yīng)性較差。金屬絲材是在剛性約束下送入熔池，與粉末相比，受微重力影響較小，易于管理，因此金屬絲材具有較高的適應(yīng)性［13］。

成形工藝的適應(yīng)性：在太空環(huán)境下，金屬熔池由于表面張力的作用，無(wú)論是由激光還是電子束產(chǎn)生的熔池形貌、尺寸都發(fā)生不同程度的變化，從而不可避免地會(huì)導(dǎo)致3D打印工藝參數(shù)（如熱源功率、送料速度、熱源移動(dòng)速度等）發(fā)生變化［13］，須根據(jù)太空環(huán)境重新優(yōu)化工藝參數(shù)。

成形效率與精度：空間站中能源供給緊張，要求3D打印設(shè)備具有較高的成形效率，但成形效率與成形件的尺寸精度相互矛盾。成形效率的評(píng)價(jià)需要綜合考慮成形速度、成形件后續(xù)處理工序和性能等多個(gè)要素。電子束和激光分別在成形效率和精度控制方面各具優(yōu)勢(shì)［15］，因此在成形件尺寸、精度和性能要求未確定的情況下，二者孰優(yōu)孰劣難以確定。

太空制造需求的適應(yīng)性：在空間站或太空實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，對(duì)金屬材料加工制造的需求多樣化，如空間站的維護(hù)、維修、零件打印、修復(fù)等。需求多樣化必然會(huì)要求同一設(shè)備具有多種功能，且不同功能間切換方便、快捷。電子束和激光均能實(shí)現(xiàn)3D打印、加工、修復(fù)、焊接等功能，均可滿足空間條件下對(duì)設(shè)備多功能的要求。

根據(jù)上述分析，從3D打印對(duì)太空環(huán)境適應(yīng)性的角度考慮，宜優(yōu)先選擇以電子束或激光為熱源、以絲材為原料的熔絲沉積制造工藝，并在該制造工藝基礎(chǔ)上開(kāi)展適用于航天在軌增材制造的材料及技術(shù)研究。

3 金屬材料空間3D打印設(shè)備與技術(shù)

研制小型化、輕重量、低能耗的多功能高能束產(chǎn)生裝置是實(shí)現(xiàn)太空3D打印的首要條件［11］。早在上個(gè)世紀(jì)，蘇聯(lián)和美國(guó)已經(jīng)分別研制出手?jǐn)y式電子束焊槍。前蘇聯(lián)的多功能手工電子束焊接裝置（Versatile Hand Tool，VHT）是由烏克蘭巴頓電焊研究所制造［16］。VHT的功率為1000 W，加速電壓為5 kV，總重（不含外殼）30 kg。由于該設(shè)備加速電壓較低，此時(shí)倫琴輻射量低，操作員可直接在焊接地點(diǎn)進(jìn)行操作，不需要使用特殊防護(hù)措施［16］。該設(shè)備已經(jīng)通過(guò)太空中焊接、噴涂與釬焊實(shí)驗(yàn)，并且成功地在太空進(jìn)行了大型桁架結(jié)構(gòu)的焊接，焊接質(zhì)量?jī)?yōu)良。值得一提的是，該設(shè)備操作簡(jiǎn)單，據(jù)稱許多未掌握焊接操作的宇航員僅在第二、第三次練習(xí)操作時(shí)，就可以很容易取得滿意結(jié)果［16］。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，目前空間電子束焊接裝置的質(zhì)量已經(jīng)控制在20 kg以內(nèi)。除電子束外，激光作為熱源也可用于太空微重力環(huán)境，但在試驗(yàn)過(guò)程中需對(duì)操作者進(jìn)行適當(dāng)防護(hù)。

在太空焊接研究的基礎(chǔ)上，蘭利研究中心的Karen等人開(kāi)發(fā)了便攜式專用設(shè)備［13］，見(jiàn)圖3。該設(shè)備采用電子束填絲自由制造技術(shù)（Wire-fed Electron Beam Freeform Fabrication Techniques，簡(jiǎn)稱EBF3），以3～5 kW電子束槍作為熱源，可打印300×300×150 mm3的樣品，成形速度可達(dá)330 ～2 500 cm3／h，設(shè)備總重約453 kg。 利用該設(shè)備，Karen等人研究了鋁合金、鋁鋰合金、鈦合金的成形工藝，并在JSC的KC-135A拋物線飛機(jī)上，采用直徑為0.8 mm的Al2219絲材在Al2219合金基板上完成了地面和模擬微重力環(huán)境下3D打印鋁合金的實(shí)驗(yàn)研究［13］。研究結(jié)果表明，空間條件下熔體表面張力和潤(rùn)濕性對(duì)成形過(guò)程起重要作用，當(dāng)絲材尖端與基材在合適的距離且功率、送絲速度等工藝參數(shù)相匹配時(shí)，金屬熔滴可以進(jìn)入熔池，相反則熔滴粘附在絲材上無(wú)法進(jìn)入熔池（圖4）。同時(shí)發(fā)現(xiàn)微重力條件下樣品的微觀組織與重力條件下相似，均呈柱／枝晶形貌（圖5）。但電子束與絲材的位置關(guān)系卻顯著影響成形體的高度（圖6）。隨后，在微重力條件下制備了環(huán)形構(gòu)件（圖7），申報(bào)了多個(gè)關(guān)于在軌3D打印的設(shè)備專利，奠定了其在“空間微重力環(huán)境電子束快速成形領(lǐng)域”的領(lǐng)先地位。

圖3 NASA設(shè)計(jì)的適于飛行測(cè)試的EBF3設(shè)備［13］Fig.3 Flight-weight EBF3system designed by NASA［13］

圖4 微重力下絲材尖端與基材距離對(duì)熔滴過(guò)渡的影響［13］Fig.4 Effect of distances between wire and substrate on contacting behavior of molten sphere with the substrate under microgravity condition［13］

圖5 重力環(huán)境對(duì)電子束3D打印樣品組織的影響［8］Fig.5 Effect of gravity condition on microstructure of EBF3deposit［8］

歐空局（ESA）和歐盟委員會(huì)也已經(jīng)開(kāi)始著手一項(xiàng)名為“邁向零廢棄物的增材制造和高科技金屬產(chǎn)品的高效生產(chǎn)”項(xiàng)目［10］，項(xiàng)目涉及整個(gè)歐洲28個(gè)工業(yè)合作伙伴，旨在將第一臺(tái)金屬3D打印機(jī)運(yùn)至國(guó)際空間站，使宇航員自己生產(chǎn)所需工具和相關(guān)零部件，甚至在軌打印整個(gè)衛(wèi)星。該項(xiàng)目四分之一的試點(diǎn)建在德國(guó)、意大利、挪威和英國(guó)，每個(gè)試點(diǎn)使用不同的金屬3D打印方法，包括激光、電子束和等離子體等。預(yù)計(jì)這一項(xiàng)目還將推動(dòng)地面上增材制造金屬材料的發(fā)展與應(yīng)用。雖然我國(guó)在在軌3D打印非金屬材料方面取得了有意義成果［11］，但對(duì)金屬材料微重力條件下的3D打印開(kāi)展較晚，目前，只有中國(guó)科學(xué)院金屬研究所和重慶綠色智能研究院等少數(shù)幾家單位開(kāi)展了該方面的研究工作，與美國(guó)和歐盟等國(guó)家相比，起步較晚，技術(shù)相對(duì)落后。

圖6 重力和微重力情況下EBF3成形Al合金試樣高度與絲材位相關(guān)系［13］Fig.6 Comparison of EBF3deposit height of Al alloy in 1-g versus 0-g for wire entry direction［13］

圖7 微重力條件下EBF3成形的鋁合金環(huán)形構(gòu)件［13］Fig.7 Cylinder of Al alloy built by EBF3under microgravity［13］

4 微重力下金屬材料的凝固組織

空間微重力條件下，由于重力驅(qū)動(dòng)的熔體對(duì)流、流體靜壓力和沉降分層等基本消失，表面張力、毛細(xì)現(xiàn)象等凸顯，使得材料的凝固表現(xiàn)出諸多不同于重力條件下的凝固特點(diǎn)［17］。

氣孔等凝固缺陷：美國(guó)宇航局馬歇爾太空飛行中心在國(guó)際空間站進(jìn)行了熔焊條件下金屬材料凝固行為的研究。研究發(fā)現(xiàn)［18］，微重力環(huán)境下，由于重力作用基本消失，氣泡幾乎不受浮力作用，易留在焊料中，焊料凝固時(shí)形成氣孔（圖8），導(dǎo)致焊點(diǎn)強(qiáng)度降低。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所開(kāi)展了微重力條件下二元和三元鎳基單晶合金凝固行為的探索與研究，也發(fā)現(xiàn)同樣的現(xiàn)象［19］（圖9）。

圖8 微重力條件下焊接區(qū)域的顯微組織［18］Fig.8 Microstructure of welding zone jointed under microgravity［18］

圖9 重力對(duì)Ni-Al-Ta合金凝固組織的影響［19］Fig.9 Effect of gravity on the solidification microstructure of Ni-Al-Ta alloy［19］

微觀組織形貌：Steinbach等［20］利用 TEXUS探空火箭研究了Al-6wt%Si合金在微重力條件下凝固后的微觀組織。結(jié)果顯示，微重力條件下合金的一次枝晶間距呈現(xiàn)大幅度增加，而二次枝晶間距和枝晶間的共晶體層片間距比重力條件下的更小，且共晶組織得到明顯細(xì)化。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所羅興宏等對(duì)Al-Al3Ni合金的研究結(jié)果表明，重力和微重力兩種環(huán)境下得到的共晶胞有較大的差別［21］（圖10）：在重力條件下，共晶胞一般較為狹長(zhǎng)，有一定的方向性，存在較多的層片或棒狀組織；而微重力條件下，共晶胞大小較為均勻，大部分成等軸狀，僅有少量的層片和棒狀組織。

合金元素的偏析行為：Dupouy等［22］在 D-1航天任務(wù)中研究了Al-26wt%Cu亞共晶和Al-40wt%Cu過(guò)共晶合金在微重力與重力下元素的偏析行為。結(jié)果表明，微重力條件下，兩種合金均未出現(xiàn)明顯的宏觀偏析，而重力環(huán)境下，合金存在明顯的宏觀偏析。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所晉冬艷［19］等對(duì)比了Ni-5%Al-6%Ta合金外延生長(zhǎng)區(qū)合金元素的微觀偏析狀態(tài)（圖11），可以看出，重力條件下的枝晶間中Al元素的含量高于枝晶干，且 Ta元素也主要富集于枝晶間。微重力條件下，Al、Ta兩元素的偏析不明顯，較重力條件下元素分布更均勻。

圖10 Al-Al3Ni合金在重力及微重力條件下凝固組織［21］Fig.10 Microstructures of Al-Al3Ni alloy solidified under 1-g and 0-g conditions［21］

圖11 Ni-5%Al-6%Ta合金外延生長(zhǎng)區(qū)元素的SEM組織形貌和元素面分布圖［19］Fig.11 SEM microstructure image and elemental distributions for epitaxial growth dendrites in Ni-5%Al-6%Ta alloy［19］

許多研究人員關(guān)于空間凝固實(shí)驗(yàn)的結(jié)果均表明，微重力條件下合金的凝固行為和顯微組織與常規(guī)重力條件下存在明顯不同［23-24］。金屬材料的3D打印也屬于凝固成形，但由于其成形過(guò)程中往復(fù)循環(huán)“逐點(diǎn)掃描熔化-逐線掃描搭接-逐層凝固堆積”，成形件的顯微組織、凝固缺陷等與傳統(tǒng)凝固存在諸多不同。而且，微重力對(duì)金屬材料3D打印后顯微組織與凝固缺陷的影響迄今為止未見(jiàn)報(bào)道。材料顯微組織和凝固缺陷是決定其使役性能的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。因此，有必要針對(duì)微重力條件下3D打印過(guò)程中金屬材料的凝固行為開(kāi)展相關(guān)研究，為太空3D打印金屬零部件的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

5 金屬材料空間3D打印的發(fā)展前景

金屬材料空間3D打印的應(yīng)用前景非常廣闊［25］，包括：1）為空間站、衛(wèi)星等航天器提供易損零件的備用件，還可以為宇航員提供修理所需的工具，實(shí)現(xiàn)空間站的自我修復(fù)；2）在軌制造尺寸在幾十米以上、難以直接發(fā)射到太空的大型結(jié)構(gòu)件，如太空望遠(yuǎn)鏡支架等；3）為在近地軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星提供動(dòng)力裝置，以此調(diào)整衛(wèi)星軌道，擴(kuò)大航天的活動(dòng)領(lǐng)域；4）在軌設(shè)計(jì)、制備一些具備特殊功能的新零件，替換航天器原有零件，實(shí)現(xiàn)航天器的更新?lián)Q代；5）在空間站直接制備工業(yè)、軍事需要的皮衛(wèi)星、納衛(wèi)星和具有特殊功能的在軌平臺(tái)；6）在月球、火星等表面制備宇航員棲息所需的房屋、日常用品等等。

鑒于該技術(shù)廣闊的應(yīng)用前景，各個(gè)空間大國(guó)都十分重視在軌3D打印技術(shù)。NASA對(duì)該技術(shù)提出了明確的發(fā)展規(guī)劃［25］：近期發(fā)展超大結(jié)構(gòu)的在軌制造技術(shù)，中期發(fā)展旨在保障長(zhǎng)時(shí)空間載人探測(cè)任務(wù)的結(jié)構(gòu)制造和修復(fù)技術(shù)，遠(yuǎn)期發(fā)展航天飛行器結(jié)構(gòu)的微型自動(dòng)健康監(jiān)測(cè)和修復(fù)技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)上述規(guī)劃，NASA在本世紀(jì)初就制定了不同階段的研究計(jì)劃與發(fā)展目標(biāo)［25］。我國(guó)金屬材料空間3D打印技術(shù)的發(fā)展需結(jié)合我國(guó)航天“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略，以未來(lái)載人空間實(shí)驗(yàn)室、空間站建設(shè)、維護(hù)及太空載人探測(cè)任務(wù)提供技術(shù)保障為潛在應(yīng)用背景，綜合考慮太空環(huán)境、發(fā)射以及在軌應(yīng)用等問(wèn)題，借鑒NASA提出的發(fā)展規(guī)劃和研究計(jì)劃，積極推動(dòng)3D打印與空間技術(shù)的交叉合作，爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn)金屬材料的空間3D打印。

6 結(jié)語(yǔ)

1）根據(jù)地面上3D打印的工藝特點(diǎn)和空間環(huán)境特性，空間金屬材料的3D打印應(yīng)優(yōu)先選擇以電子束或激光為熱源、以絲材為原料的熔絲沉積制造工藝；

2）空間微重力條件下，金屬材料凝固時(shí)易于形成氣孔等凝固缺陷，顯微組織與地面重力條件下有所不同，且合金元素偏析減弱；

3）金屬材料的空間3D打印是一種具有較大發(fā)展?jié)摿Φ脑谲壴恢苽浼夹g(shù)，該技術(shù)有望為空間站自我修復(fù)、大型構(gòu)件和特殊功能構(gòu)件的在軌制備、宇航員日常用品制備等方面提供一條技術(shù)新途徑。

（References）

［1］ 王華明.金屬零件激光快速成形技術(shù)研究進(jìn)展［J］.航空學(xué)報(bào)，2002，23（5）：473-482.Wang H M.Research progress on laser surface modifications of metallic materials and laser rapid forming of high performance metallic components［J］.Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2002， 23（5）： 473-482. （in Chinese）

［2］ Taminger K M B，Hafley R A，Dicus D L.Solid freeform fabrication：an enabling technology for future space missions［C］ ／／2002 International Conference on Metal Powder Deposition for Rapid Manufacturing， San Antonio，2002：51-60.

［3］ 田小永，李滌塵，盧秉恒.空間3D打印技術(shù)現(xiàn)狀與前景［J］.載人航天， 2016， 22（4）：471-476.Tian X Y，Li D C，Lu B H.Status and prospect of 3D printing technology in space ［J］.Manned Spaceflight， 2016， 22（4）： 471-476. （in Chinese）

［4］ 邱慧中.空間焊接的現(xiàn)狀和發(fā)展前景［J］.航天工藝，1990， 12（6）： 52-59.Qiu H Z.Status and prospect of jointing in space［J］.Aerospace Technology， 1990， 12（6）： 52-59. （in Chinese）

［5］ 盧秉恒，李滌塵.增材制造（3D打印）技術(shù)發(fā)展 ［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2013，42（4）：1-4.Lu Bingheng，Li Dichen.Development of the additive manufacturing （3D printing） technology［J］.Mechanical Building and Automation， 2013， 42（4）： 1-4. （in Chinese）

［6］ 黃衛(wèi)東.高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)致密金屬零件的激光快速成形［J］.稀有金屬材料與工程，2005，34（增刊3）：543-548.Huang W D.Laser rapid forming technology of high performance dense metal components with complex structure ［J］.Rare Metal Materials and Engineering， 2005， 34（S3）： 543-548. （in Chinese）

［7］ Johnston M M，Werkheiser M J，Snyder M P，et al.3D printing in zero-G ISS technology demonstration［C］／／45th AIAA SPACE 2014 Conference， San Diego， 2014：1-5.

［8］ Dunn J J，Hutchison D N，Kemmer A M，et al.3D Printing in space：enabling new markets and accelerating the growth of orbital infrastructure［R］.Space Manufacturing 14： Critical Technologies for Space Settlement-Space Studies Institute，2010：1-14.

［9］ Robart S.First zero-gravity 3D printer heads to international space station ［R／OL］.http：／／newatlas.com／made-in-spacezero-g-3d-printer，2014-09-19.

［10］ European Space Agency.Europe’s 3D printer set for space station［R／OL］.http：／／www.esa.int／Our_Activities／Space_Engineering_Technology／Europe_s_3D_printer_set_for_Space_Station.html，2014-11-13.

［11］ 王功，劉亦飛，程天錦，等.空間增材制造技術(shù)的應(yīng)用［J］. 空間科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，36（4）：571-576.Wang G，Liu Y F，Cheng T J，et al.Application of additive manufacturing technology for space［J］.Chinese Journal of Space Science， 2016， 36（4）： 571-576.（in Chinese）

［12］ 欒海.俄羅斯制成該國(guó)首臺(tái)太空3D打印樣機(jī)［R／OL］.http：／／www.ptczz.com／newsshow.php？ cid ＝16＆id ＝351，2016-11-11.Luan H.Russia made the country’s first 3D printer prototype for space［R／OL］.http：／／www.ptczz.com／newsshow.php？cid＝16＆id＝351，2016-11-11.

［13］ Hafley R A，Taminger K M B，Bird R K.Electron beam freeform fabrication in the space environment［C］／／45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit， Reno，2007： 8-11.

［14］ 馮吉才，王厚勤，張秉剛，等.空間焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望［J］. 焊接學(xué)報(bào)，2015，36（6）：107-112.Feng J C，Wang H Q，Zhang B G，et al.Research status and prospect of welding technology in space ［J］.Transactions of the China Welding Institution， 2015， 36（6）：107-112. （in Chinese）

［15］ 曾光，韓志宇，梁書(shū)錦，等.金屬零件3D打印技術(shù)的應(yīng)用研究［J］. 中國(guó)材料進(jìn)展，2016，33（6）：376-382.Zeng G， Han Z Y， Liang S J， et al.The applications and progress of manufacturing of metal parts by 3D printing technology［J］.Materials China， 2016， 33（6）： 376-382. （in Chinese）

［16］ 關(guān)橋.太空電子束焊接［J］. 航空工藝技術(shù)，1990，5：23-26.Guan Q.Electron beam welding in space［J］.Aerospace Technology， 1990， 5： 23-26. （in Chinese）

［17］ 任玉虎.鎳基二元單晶合金在落管微重力與重力環(huán)境下的凝固行為研究［D］.北京：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，2014：3-20.Ren Y H.Investigation of Solidification of Ni-based Binary Single Crystal Alloys Under Microgravity and Normal Gravity Conditions in Drop Tube ［D］.Beijing：The University of Chinese Academy of Sciences， 2014： 3-20. （in Chinese）

［18］ 中國(guó)數(shù)字科技館.太空焊接實(shí)驗(yàn) ［R／OL］.http：／／amuseum.cdstm.cn／AMuseum／aetherlife／working_inside_3_2.htm.China Digital Science and Technology Museum.Welding experiment in space ［R／OL］.http：／／amuseum.cdstm.cn／AMuseum／aetherlife／working_inside_3_2.htm. （in Chinese）

［19］ 晉冬艷.幾種鎳鋁基單晶合金在落管微重力及重力環(huán)境下的凝固行為研究 ［D］.北京：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，2015：20-60.Jin Dongyan.Investigation of Solidification of Several NiAlbased Single Crystals under Microgravity and Normal Gravity Conditions in Drop Tube［D］.Beijing：The University of Chinese Academy of Sciences， 2015： 20-60.（in Chinese）

［20］ Steinbach S， Ratke L.ARTEX-In situ observation of directional solidification of binary aluminium alloys on TEXUS ［J］.Microgravity Science and Technology， 2005， 16： 111-115.

［21］ 羅興宏，陳亮.利用落管研究微重力環(huán)境對(duì)中低熔點(diǎn)合金凝固過(guò)程的影響［J］.中國(guó)科學(xué)：技術(shù)科學(xué)，2008，38（1）： 1-8.Luo X H，Chen L.Effect of microgravity on the solidification process of low melting point alloys by drop tube［J］.Science in China： Technological Sciences， 2008， 38（1）： 1-8.（in Chinese）

［22］ Dupouy M D，Camel D，F(xiàn)avier J J.Natural convective effects in directional dendritic solidification of binary metallic alloys：dendritic array primary spacing ［J］.Acta Metallurgica and Materialia，1992， 40 （7）：1791-1801.

［23］ Zhou B H， Jung H， Mangelinck-Noёl N， et al.Comparative study of the influence of natural convection on directional solidification of Al-3.5 wt%Ni and Al-7 wt%Si alloys［J］.Advances in Space Research，2008，41：2112-2117.

［24］ Mccay M H，Lee J E，Curreri P A.The effect of gravity level on the average primary dentritic spacing of a directionally solidified superalloy［J］.Matallurgical Transactions A， 1986，17A：2301-2303.

［25］ National Research Council of the National Academies.3D Printing in Space ［R／OL］.https：／／www.nap.edu／catalog.php？ record_id＝18871，2014.

（責(zé)任編輯：龐迎春）

Research Status of 3D Printing Technology for Metals in Space

LIANG Jingjing，YANG Yanhong，JIN Tao，ZHOU Yizhou，SUN Xiaofeng
（Institute of Metal Research，Chinese Academy of Sciences， Shenyang 110016， China）

TH16

A

1674-5825（2017）05-0663-07

2017-04-06；

2017-08-10

國(guó)家自然科學(xué)基金（51401210）；載人航天預(yù)先研究項(xiàng)目（030302）

梁靜靜，女，博士，副研究員，研究方向?yàn)榻饘俨牧显霾闹圃?、高溫合金成分?yōu)化設(shè)計(jì)。E-mail：jjliang＠imr.ac.cn