金属材料空间3D打印技术研究现状

梁静静，杨彦红，金 涛，周亦胄，孙晓峰

金属材料空间3D打印技术研究现状

梁静静，杨彦红，金 涛，周亦胄，孙晓峰

（中国科学院金属研究所，沈阳110016）

空间3D打印技术对航天器维护及深空探测具有重要意义。结合金属材料3D打印技术的特点及空间的微重力环境，从热源适应性、材料适应性、成形工艺适应性等方面探讨了金属空间3D打印所面临的困难。在此基础上，提出了空间3D打印宜选取电子束或激光为热源、丝材为原料的技术方案，并简述了目前国际上3D打印技术在微重力环境下金属材料制备方面的研究现状，分析了微重力条件下金属材料凝固时气孔等凝固缺陷的形成及元素偏析行为。围绕空间站建设和载人深空探测需求，讨论了金属材料空间3D打印在空间站自我修复及金属构件在轨制备等方面的应用前景。

空间3D打印；金属构件；微重力；空间站

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，又称3D打印技术）是一种新兴的先进制造技术。与传统工艺相比，增材制造是利用计算机设计三维图形，而后采用“逐点扫描成型”以实现零部件的近净成形［1］。随着3D打印技术的发展，其独特的工艺特点在航天器维护及空间武器的在轨制造方面展现出了广阔的应用前景［2］：不仅可以实现在轨设计、制备一些具备特殊功能的新零件，实现航天器的自我修复和更新换代，还有望实现在航天器内直接制备工业、军事需要的皮卫星、纳卫星和具有战略功能的在轨平台，甚至可将捕获的航天器进行拆卸，在轨道上组装出新的航天器或空间武器。

目前，我国正在进行空间站建设、载人航天计划和月球探测计划［3］。如果实现功能结构件的空间制造、空间废弃零部件的回收再制造、月球资源的利用与原位制造等，将对我国空间探索产生巨大的推动作用。

与地面环境相比，空间环境极为特殊：微重力（10-5～10-6g）、超高真空（低于 1.33 ×10-4～10-7Pa）、强辐射、温度变化幅度大（-200～+90℃）等［4］，这些因素对在轨3D打印工艺和材料提出了特殊要求。其中，影响空间站舱内在轨3D打印的主要因素是微重力，它将显著影响3D打印过程中材料的粘接固化过程，直接关系到零件能否成形、是否具有良好的使役性能。目前，无论是针对金属材料还是非金属材料，地面上重力条件下的3D打印技术很多，且有些技术的成熟度很高，已经获得了工业应用［5-6］。国外于上个世纪开始了微重力条件下3D打印的相关研究工作，已经取得了重大研究进展［7］。但是，受到太空环境特殊性及实验验证困难的限制，目前尚未有3D打印技术在太空获得推广应用。

早在1999年，美国航空航天局（NASA）兰利研究中心和约翰逊航天中心就非金属材料的空间3D打印技术开始了相关的研究工作［7］。2014年9月，NASA向国际空间站（ISS）运送了世界上首台3D打印机。该3D打印机采用熔融沉积技术（FDM），由太空制造公司（MADE IN SPACE）制造［8-9］，已在太空中成功制备了一些塑料材质的工具（图1）。欧洲航天局（ESA）在2015年将一台FDM 3D打印机（图2）送入空间站进行相关实验［10］，该设备由意大利Altran公司研制，其内部空间尺寸约25×25×25 cm3，可制备生物降解材料或无毒塑料。近年来，西安交通大学提出了连续纤维增强热塑性复合材料3D打印新工艺方法［3］，初步完成了热塑性复合材料3D打印喷头的试制。2016年，我国中国科学院空间应用中心与中科院重庆智能研究院共同研制成功了国内首台空间FDM 3D打印机，并在法国波尔多完成了抛物线失重飞行试验［11］。他们对五种材料和两种制造工艺进行了微重力环境下的验证与探索，其中包含了NASA从未尝试过的纤维增强复合材料，获取了不同材料与工艺在微重力环境下的特性数据。俄罗斯西伯利亚的托木斯克理工大学高科技物理研究所等4家单位于2016年也宣布联合研制了该国首台太空3D打印机样机［12］，计划在2018年送入国际空间站进行相关测试。

本文根据地面上3D打印的工艺特点和空间环境特性，探讨金属材料空间3D打印的制约因素，简述国际上微重力环境下金属材料3D打印实验结果及微重力环境对材料凝固行为的影响规律；分析金属材料空间3D打印在航天器维护及空间武器在轨制造方面展现出的应用前景。

图1 Made in Space公司制造的太空3D打印机［8］Fig.1 3D printer made by Made in Space Inc［8］

图2 欧盟空间3D打印机模型［10］Fig.2 3D printer model made by European Union［10］

2 金属材料空间3D打印制约因素

地面重力条件下，3D打印已经从制备塑料向制备金属材料领域迈进，且已取得突破，如北京航空航天大学王华明院士团队激光3D打印的飞机钛合金大型复杂整体构件已实现装机应用［1］。但太空微重力环境下金属材料的3D打印发展较为缓慢，到目前为止，尚未在空间站开展相关试验。金属材料空间3D打印困难与金属材料特点息息相关。与塑料、树脂等非金属材料相比，金属一般熔点较高，熔点高即表明需要较高的能量才能将其熔化，故必须以高能束为热源，如电子束、激光等，这对3D打印设备提出了较高要求。金属材料在高能束作用下，直接由固态转变为液态熔体。在地面上，液态熔体主要依靠重力和熔体高压蒸汽的反冲压力完成与基材的粘接；微重力环境下，熔体表面张力效应凸显，如果3D打印工艺参数不当，熔体在自身表面张力作用下，极易发生球化，攀附在金属丝上，难以与基材进行粘接［13］。由此可见，实现金属材料的空间3D打印，必须重点考虑以下几方面的问题。

热源适应性：地面环境中3D打印一般以电子束或激光等高能束为热源。在太空，虽然受到微重力、高真空等条件限制，激光器和电子枪的功能基本不受影响，可正常使用［14］。考虑到太空能源补给困难、作业空间受限，因此要求3D打印装备结构紧凑、体积小、重量轻，且具有高的能源利用率。目前，先进的电子束和激光发生装置均能满足上述要求［12］。

材料适应性：太空微重力条件下，自由状态的金属粉末可能会以悬浮或漂浮状存在，难以堆积和定位，导致同轴送粉和粉末床工艺在太空环境下不便管理，存在安全隐患，尤其在电子束成形条件下，由于高能电子束是由具有质量的高速电子组成，金属粉末很容易被打飞。故粉末材料在太空环境下的适应性较差。金属丝材是在刚性约束下送入熔池，与粉末相比，受微重力影响较小，易于管理，因此金属丝材具有较高的适应性［13］。

成形工艺的适应性：在太空环境下，金属熔池由于表面张力的作用，无论是由激光还是电子束产生的熔池形貌、尺寸都发生不同程度的变化，从而不可避免地会导致3D打印工艺参数（如热源功率、送料速度、热源移动速度等）发生变化［13］，须根据太空环境重新优化工艺参数。

成形效率与精度：空间站中能源供给紧张，要求3D打印设备具有较高的成形效率，但成形效率与成形件的尺寸精度相互矛盾。成形效率的评价需要综合考虑成形速度、成形件后续处理工序和性能等多个要素。电子束和激光分别在成形效率和精度控制方面各具优势［15］，因此在成形件尺寸、精度和性能要求未确定的情况下，二者孰优孰劣难以确定。

太空制造需求的适应性：在空间站或太空实验室内，对金属材料加工制造的需求多样化，如空间站的维护、维修、零件打印、修复等。需求多样化必然会要求同一设备具有多种功能，且不同功能间切换方便、快捷。电子束和激光均能实现3D打印、加工、修复、焊接等功能，均可满足空间条件下对设备多功能的要求。

根据上述分析，从3D打印对太空环境适应性的角度考虑，宜优先选择以电子束或激光为热源、以丝材为原料的熔丝沉积制造工艺，并在该制造工艺基础上开展适用于航天在轨增材制造的材料及技术研究。

3 金属材料空间3D打印设备与技术

研制小型化、轻重量、低能耗的多功能高能束产生装置是实现太空3D打印的首要条件［11］。早在上个世纪，苏联和美国已经分别研制出手携式电子束焊枪。前苏联的多功能手工电子束焊接装置（Versatile Hand Tool，VHT）是由乌克兰巴顿电焊研究所制造［16］。VHT的功率为1000 W，加速电压为5 kV，总重（不含外壳）30 kg。由于该设备加速电压较低，此时伦琴辐射量低，操作员可直接在焊接地点进行操作，不需要使用特殊防护措施［16］。该设备已经通过太空中焊接、喷涂与钎焊实验，并且成功地在太空进行了大型桁架结构的焊接，焊接质量优良。值得一提的是，该设备操作简单，据称许多未掌握焊接操作的宇航员仅在第二、第三次练习操作时，就可以很容易取得满意结果［16］。随着电子技术的发展，目前空间电子束焊接装置的质量已经控制在20 kg以内。除电子束外，激光作为热源也可用于太空微重力环境，但在试验过程中需对操作者进行适当防护。

在太空焊接研究的基础上，兰利研究中心的Karen等人开发了便携式专用设备［13］，见图3。该设备采用电子束填丝自由制造技术（Wire-fed Electron Beam Freeform Fabrication Techniques，简称EBF3），以3～5 kW电子束枪作为热源，可打印300×300×150 mm3的样品，成形速度可达330 ～2 500 cm3／h，设备总重约453 kg。 利用该设备，Karen等人研究了铝合金、铝锂合金、钛合金的成形工艺，并在JSC的KC-135A抛物线飞机上，采用直径为0.8 mm的Al2219丝材在Al2219合金基板上完成了地面和模拟微重力环境下3D打印铝合金的实验研究［13］。研究结果表明，空间条件下熔体表面张力和润湿性对成形过程起重要作用，当丝材尖端与基材在合适的距离且功率、送丝速度等工艺参数相匹配时，金属熔滴可以进入熔池，相反则熔滴粘附在丝材上无法进入熔池（图4）。同时发现微重力条件下样品的微观组织与重力条件下相似，均呈柱／枝晶形貌（图5）。但电子束与丝材的位置关系却显著影响成形体的高度（图6）。随后，在微重力条件下制备了环形构件（图7），申报了多个关于在轨3D打印的设备专利，奠定了其在“空间微重力环境电子束快速成形领域”的领先地位。

图3 NASA设计的适于飞行测试的EBF3设备［13］Fig.3 Flight-weight EBF3system designed by NASA［13］

图4 微重力下丝材尖端与基材距离对熔滴过渡的影响［13］Fig.4 Effect of distances between wire and substrate on contacting behavior of molten sphere with the substrate under microgravity condition［13］

图5 重力环境对电子束3D打印样品组织的影响［8］Fig.5 Effect of gravity condition on microstructure of EBF3deposit［8］

欧空局（ESA）和欧盟委员会也已经开始着手一项名为“迈向零废弃物的增材制造和高科技金属产品的高效生产”项目［10］，项目涉及整个欧洲28个工业合作伙伴，旨在将第一台金属3D打印机运至国际空间站，使宇航员自己生产所需工具和相关零部件，甚至在轨打印整个卫星。该项目四分之一的试点建在德国、意大利、挪威和英国，每个试点使用不同的金属3D打印方法，包括激光、电子束和等离子体等。预计这一项目还将推动地面上增材制造金属材料的发展与应用。虽然我国在在轨3D打印非金属材料方面取得了有意义成果［11］，但对金属材料微重力条件下的3D打印开展较晚，目前，只有中国科学院金属研究所和重庆绿色智能研究院等少数几家单位开展了该方面的研究工作，与美国和欧盟等国家相比，起步较晚，技术相对落后。

图6 重力和微重力情况下EBF3成形Al合金试样高度与丝材位相关系［13］Fig.6 Comparison of EBF3deposit height of Al alloy in 1-g versus 0-g for wire entry direction［13］

图7 微重力条件下EBF3成形的铝合金环形构件［13］Fig.7 Cylinder of Al alloy built by EBF3under microgravity［13］

4 微重力下金属材料的凝固组织

空间微重力条件下，由于重力驱动的熔体对流、流体静压力和沉降分层等基本消失，表面张力、毛细现象等凸显，使得材料的凝固表现出诸多不同于重力条件下的凝固特点［17］。

气孔等凝固缺陷：美国宇航局马歇尔太空飞行中心在国际空间站进行了熔焊条件下金属材料凝固行为的研究。研究发现［18］，微重力环境下，由于重力作用基本消失，气泡几乎不受浮力作用，易留在焊料中，焊料凝固时形成气孔（图8），导致焊点强度降低。中国科学院金属研究所开展了微重力条件下二元和三元镍基单晶合金凝固行为的探索与研究，也发现同样的现象［19］（图9）。

图8 微重力条件下焊接区域的显微组织［18］Fig.8 Microstructure of welding zone jointed under microgravity［18］

图9 重力对Ni-Al-Ta合金凝固组织的影响［19］Fig.9 Effect of gravity on the solidification microstructure of Ni-Al-Ta alloy［19］

微观组织形貌：Steinbach等［20］利用 TEXUS探空火箭研究了Al-6wt%Si合金在微重力条件下凝固后的微观组织。结果显示，微重力条件下合金的一次枝晶间距呈现大幅度增加，而二次枝晶间距和枝晶间的共晶体层片间距比重力条件下的更小，且共晶组织得到明显细化。中国科学院金属研究所罗兴宏等对Al-Al3Ni合金的研究结果表明，重力和微重力两种环境下得到的共晶胞有较大的差别［21］（图10）：在重力条件下，共晶胞一般较为狭长，有一定的方向性，存在较多的层片或棒状组织；而微重力条件下，共晶胞大小较为均匀，大部分成等轴状，仅有少量的层片和棒状组织。

合金元素的偏析行为：Dupouy等［22］在 D-1航天任务中研究了Al-26wt%Cu亚共晶和Al-40wt%Cu过共晶合金在微重力与重力下元素的偏析行为。结果表明，微重力条件下，两种合金均未出现明显的宏观偏析，而重力环境下，合金存在明显的宏观偏析。中国科学院金属研究所晋冬艳［19］等对比了Ni-5%Al-6%Ta合金外延生长区合金元素的微观偏析状态（图11），可以看出，重力条件下的枝晶间中Al元素的含量高于枝晶干，且 Ta元素也主要富集于枝晶间。微重力条件下，Al、Ta两元素的偏析不明显，较重力条件下元素分布更均匀。

图10 Al-Al3Ni合金在重力及微重力条件下凝固组织［21］Fig.10 Microstructures of Al-Al3Ni alloy solidified under 1-g and 0-g conditions［21］

图11 Ni-5%Al-6%Ta合金外延生长区元素的SEM组织形貌和元素面分布图［19］Fig.11 SEM microstructure image and elemental distributions for epitaxial growth dendrites in Ni-5%Al-6%Ta alloy［19］

许多研究人员关于空间凝固实验的结果均表明，微重力条件下合金的凝固行为和显微组织与常规重力条件下存在明显不同［23-24］。金属材料的3D打印也属于凝固成形，但由于其成形过程中往复循环“逐点扫描熔化-逐线扫描搭接-逐层凝固堆积”，成形件的显微组织、凝固缺陷等与传统凝固存在诸多不同。而且，微重力对金属材料3D打印后显微组织与凝固缺陷的影响迄今为止未见报道。材料显微组织和凝固缺陷是决定其使役性能的基础和关键。因此，有必要针对微重力条件下3D打印过程中金属材料的凝固行为开展相关研究，为太空3D打印金属零部件的应用奠定基础。

5 金属材料空间3D打印的发展前景

金属材料空间3D打印的应用前景非常广阔［25］，包括：1）为空间站、卫星等航天器提供易损零件的备用件，还可以为宇航员提供修理所需的工具，实现空间站的自我修复；2）在轨制造尺寸在几十米以上、难以直接发射到太空的大型结构件，如太空望远镜支架等；3）为在近地轨道上运行的卫星提供动力装置，以此调整卫星轨道，扩大航天的活动领域；4）在轨设计、制备一些具备特殊功能的新零件，替换航天器原有零件，实现航天器的更新换代；5）在空间站直接制备工业、军事需要的皮卫星、纳卫星和具有特殊功能的在轨平台；6）在月球、火星等表面制备宇航员栖息所需的房屋、日常用品等等。

鉴于该技术广阔的应用前景，各个空间大国都十分重视在轨3D打印技术。NASA对该技术提出了明确的发展规划［25］：近期发展超大结构的在轨制造技术，中期发展旨在保障长时空间载人探测任务的结构制造和修复技术，远期发展航天飞行器结构的微型自动健康监测和修复技术。为实现上述规划，NASA在本世纪初就制定了不同阶段的研究计划与发展目标［25］。我国金属材料空间3D打印技术的发展需结合我国航天“三步走”的发展战略，以未来载人空间实验室、空间站建设、维护及太空载人探测任务提供技术保障为潜在应用背景，综合考虑太空环境、发射以及在轨应用等问题，借鉴NASA提出的发展规划和研究计划，积极推动3D打印与空间技术的交叉合作，争取早日实现金属材料的空间3D打印。

6 结语

1）根据地面上3D打印的工艺特点和空间环境特性，空间金属材料的3D打印应优先选择以电子束或激光为热源、以丝材为原料的熔丝沉积制造工艺；

2）空间微重力条件下，金属材料凝固时易于形成气孔等凝固缺陷，显微组织与地面重力条件下有所不同，且合金元素偏析减弱；

3）金属材料的空间3D打印是一种具有较大发展潜力的在轨原位制备技术，该技术有望为空间站自我修复、大型构件和特殊功能构件的在轨制备、宇航员日常用品制备等方面提供一条技术新途径。

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（责任编辑：庞迎春）

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

国家自然科学基金（51401210）；载人航天预先研究项目（030302）

梁静静，女，博士，副研究员，研究方向为金属材料增材制造、高温合金成分优化设计。E-mail：jjliang＠imr.ac.cn