作為第三次工業(yè)革命制造領(lǐng)域的代表，3D打印技術(shù)的發(fā)展時刻受到社會各界的廣泛關(guān)注。如今，人類利用3D打印技術(shù)進行的生產(chǎn)制造活動已經(jīng)拓展到了外太空。

在此之前，人類送往太空中的任何物品都要先在地球上制造完成，再發(fā)射到太空中去。這個過程成本極高，據(jù)NASA透露，向空間站輸送一英鎊（約454克）太空貨物的“郵費”高達1萬美元，此外“輸送”流程極其繁瑣耗時。

NASA總工程師Dave Korsmeyer曾表示：“想在太空中生活得更加自如，那么就應(yīng)該能在飛行過程中設(shè)計制造所需的物品，這就是太空3D打印機產(chǎn)生的初衷所在?！?/p>

未來，也許只需運送一臺專用3D打印機到太空，航天員就可以自主打印出所需物品，實現(xiàn)“太空制造”。太空3D打印所需原材料的來源將從地球補給階段起步，經(jīng)歷空間站內(nèi)自給和廢料回收階段，逐步向太空開采階段發(fā)展。

現(xiàn)階段，世界各國針對太空3D打印的研究開發(fā)主要面向零部件和食物兩大應(yīng)用領(lǐng)域。在太空中3D打印零部件可以幫助宇航員在失重環(huán)境下快速自制實驗、維修等環(huán)節(jié)所需工具，減少空間站儲備物資的種類與數(shù)量，降低空間站對地面補給的依賴性。通過先進的3D打印技術(shù)，宇航員可最大限度地利用太空艙內(nèi)種植的新鮮食材制造食物，延長宇航員在太空中可生存的時間，解決未來人類探索太空過程中的生存保障問題。

美國

太空3D打印技術(shù)門檻極高，美國作為科技強國，在太空3D打印領(lǐng)域率先布局，成績突出。

▲Made In Space

太空3D打印機方面，NASA與太空制造(Made In Space)公司合作，先后兩次向國際空間站發(fā)送太空3D打印機。2014年9月，NASA首次將一臺型號為“Zero-Gravity 3D Printer”的零重力3D打印機搭乘Falcon 9火箭送往國際空間站，兩個月后，首次在太空打印出印有“Made In Space”和 “NASA”字樣的銘牌。這一成果讓科學(xué)家看到了實現(xiàn)在太空自我打印零部件的曙光。2016年3月，NASA將升級版的太空3D打印機再次送入國際空間站，設(shè)備型號為“Additive Manufacturing Facility ，簡稱AMF”。與上一代相比，AMF可用的原材料拓展至30 種，且其打印尺寸和產(chǎn)品分辨率都大大提高，此外重點改善了微重力使用條件，保證了太空3D打印的穩(wěn)定性和持久性。

2016年，NASA提供了一份為期兩年、價值2000萬美元的合同，用來資助太空制造公司、諾斯洛普·格魯門（Northrop Grumman）公司和 Oceaneering Space Systems三家公司合作的Archinaut項目，主要目標(biāo)是制造帶有機械臂的3D打印機，并將其安裝在國際空間站外部的分離艙內(nèi)，使3D打印組裝大型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的能力于2018年在太空中得到展示。  

原材料方面，NASA致力于通過回收太空廢料獲取太空3D打印所需原材料，從而減輕發(fā)射重量，節(jié)省巨額的燃料成本。2014年，NASA與太空制造公司合作開展R3DO研究項目，開發(fā)在太空中回收3D打印塑料耗材進行再利用的設(shè)備。2015年，在美國小企業(yè)創(chuàng)新研究計劃的支持下，NASA與Tethers Unlimited公司合作開發(fā)出一款結(jié)合了3D打印機和塑料回收功能的設(shè)備。

在太空3D打印食物領(lǐng)域，NASA早在2013年便投入12.5萬美元委托外部企業(yè)研制專業(yè)打印機，但因初生代機器性能差強人意，該項目暫無后續(xù)進展。

歐洲

歐洲方面，在太空3D打印領(lǐng)域積極籌備的機構(gòu)主要包括歐洲航天局(ESA)和俄羅斯聯(lián)邦航天局。

最近幾年，ESA表現(xiàn)出對太空3D打印技術(shù)空前高漲的熱情。

2015年6月，ESA曾委托外部企業(yè)聯(lián)盟開發(fā)一個名為MELT的兩年期項目（全稱：Manufacturing of Experimental Layer Technology），其主要任務(wù)就是開發(fā)可以在太空環(huán)境中使用的工業(yè)級3D打印機，用于在國際空間站上打印電路板。參與方包括了兩家德國公司（Active Space GMBH和OHB Systems AG）和兩家葡萄牙公司（Active Space SA和BEEVERYCREATIVE）。預(yù)計這款 3D 打印機將在 2017 年被發(fā)射到國際空間站。

2016年7月19日，ESA宣布成立先進制造技術(shù)和材料實驗室，專門針對未來太空任務(wù)進行太空3D打印等先進制造技術(shù)的研發(fā)。

▲Moon 2020-2030

更引人注目的是，ESA在“Moon 2020-2030” 項目專題討論會上提出將從2020年開始進行月球宜居基地的建造計劃，太空3D打印技術(shù)將在計劃中發(fā)揮重要作用。

與ESA關(guān)注領(lǐng)域不同，2016年8月，俄羅斯聯(lián)邦航天局（Roscosmos）旗下的聯(lián)合火箭航天公司（URSC）宣稱，已與該國3D Bioprinting Solutions公司簽署了協(xié)議，合作開發(fā)可在零重力環(huán)境下運行的磁性3D生物打印機，這款打印機將于2018年被運送到國際空間站中，用于打印對太空輻射高度敏感的組織和器官，以監(jiān)測長期逗留在太空環(huán)境中的生物體所受到的宇宙輻射傷害。

中國

近幾年我國航天事業(yè)發(fā)展迅猛，計劃在2020年前后完成空間站建造及后期運營，2016年9月15日，我國“天宮二號”空間實驗室成功發(fā)射，一個重要任務(wù)就是突破和掌握航天員中期駐留等空間站關(guān)鍵技術(shù)。對此我國充分意識到了太空3D打印技術(shù)的重要作用，集中資金和科研力量研制空間在軌3D打印機，在太空3D打印零部件和食物應(yīng)用領(lǐng)域積極籌備。

▲空間在軌3D打印機在法國波爾多進行拋物線失重飛行試驗

2016年4月20日，經(jīng)過中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院和中科院空間應(yīng)用工程技術(shù)中心兩年共同努力，我國首臺空間在軌3D打印機誕生，已在法國波爾多成功完成拋物線失重飛行試驗，在微重力環(huán)境下實現(xiàn)了兩種材料、三類工藝參數(shù)、四種模型的3D打印，成功獲取了微重力環(huán)境對3D打印工藝參數(shù)影響的實驗數(shù)據(jù)，成為現(xiàn)有可打印最大零部件尺寸的太空3D打印機。但這款打印機還存在無法打印復(fù)雜形狀、打印精度不高以及無法實現(xiàn)多種材料打印等亟待解決的問題，想要滿足空間站的高端應(yīng)用需求，必須早日突破相關(guān)技術(shù)壁壘。

▲3D食物打印機打印月餅

除此之外，在2016年6月開始的“太空180”試驗項目中，我國科學(xué)家研制出了用于制作食物的3D打印機。四名志愿者模擬 “星際駐留”生活，將試驗艙內(nèi)種植的小麥、螺旋藻等采摘后打成泥，作為原材料放入3D打印機中，10分鐘后即打印出一塊月餅。這款打印機仍處于雛形階段，還未引入零重力工作環(huán)境進行考慮。