普渡大学研究人员在《npj Advanced Manufacturing》发表综述，提出利用月球尘埃与轨道碎片实现太空3D打印的新路径。通过粉末基增材制造技术，可在微重力与真空环境中直接构建工具、栖息地及基础设施，有望降低高昂发射成本。文章分析了月壤颗粒特性、粉末流动性、极端温差及静电效应等关键挑战，并探讨电解制粉、粘结剂喷射及在轨回收利用等解决方案，为未来月球基地建设和太空制造提供重要参考。
普渡大学的研究人员在《npj Advanced Manufacturing》期刊上发表了一篇综合性综述，指出基于粉末的增材制造是一种可行策略，可利用轨道环境以及月球表面已有材料，在太空中直接构建工具、栖息地和基础设施。
在2024年，使用Falcon 9执行任务的发射成本仍高达约每公斤12,682美元，这使得在太空中就地获取材料的经济压力成为核心工程挑战。基于粉末的增材制造技术在地球上已因其设计灵活性和材料利用效率而被广泛应用，但要在太空环境中发挥作用，仍需适应微重力、真空以及月球表面从-250°C到250°C的剧烈温度变化。
该研究概述了太空粉末基增材制造（ISAM）的整体框架，强调了原料来源、粉末在空间环境下的行为特性、表征方法以及工艺控制之间的相互关联挑战。
研究指出两种主要的原料来源。其一是月壤，这是一种覆盖在月球表面的细碎物质，由数百万年的陨石撞击形成，其中90%的颗粒直径小于1000微米，使其天然适用于粉末制造技术。第二种来源是轨道碎片。据估计，目前约有9500吨金属材料在地球轨道上运行，其中包括约40,500个尺寸大于10厘米的物体、约110万个介于1至10厘米之间的碎片，以及超过1.3亿个小于1厘米的碎片。失效卫星和废弃火箭级段可以通过激光诱导击穿光谱或X射线荧光进行分类，再由机器人系统雾化为可打印的金属粉末。NASA的“太空制造”“回收与再利用”项目，以及European Space Agency的ClearSpace-1任务，已经在探索这些回收路径。
研究对空间环境如何扰乱粉末行为给予了大量关注，而这些问题是地面系统未曾针对性设计的。在微重力条件下，即使是相对较大的颗粒，范德华力也会占主导地位，导致粉末结块、分散不可预测并堵塞喷嘴。在地球上，这类作用通常只在几十微米以下的颗粒中才显著。而在月球重力（约为地球的六分之一）下，这种作用会在更大颗粒范围内占主导，从根本上改变粉末的流动特性。
月壤本身进一步加剧了这些问题。与地球3D打印系统中使用的光滑球形粉末不同，月壤颗粒呈现锋利且不规则的形状。由于缺乏大气层对其进行风化，陨石撞击产生的颗粒会相互嵌锁，导致堆积密度低，并且难以实现粉末床熔融和粘结剂喷射所需的均匀铺层。此外，太阳风会使月壤颗粒带上静电，增强其团聚和表面附着能力。
极端温度带来了更多复杂性。在250°C（即月球白天表面的最高温度）下，这一温度已经超过了PLA和ABS等聚合物的熔点。即使是金属粉末也会受到影响：高温会降低其屈服强度，导致颗粒形状发生变形，并增加颗粒之间的摩擦起电效应。真空环境则消除了气体辅助的粉末输送方式，如气力输送和流化，只能依赖纯机械方式进行材料移动。
在评估的粉末制备方法中，电解法被认为是最适合太空环境的方案。该方法不依赖重力，可由太阳能驱动，并可利用水或富含金属的月壤等本地资源。化学还原在具备金属氧化物和还原剂的情况下也被认为是可行的。值得注意的是，粘结剂喷射技术因能够在不发生熔化的情况下处理陶瓷粉末而具有优势，从而降低了加工过程中的能耗，但通常需要高能耗的后处理步骤。
在质量控制方面，研究提出了两种适用于太空环境的监测方法。一种是基于扭矩与光学反馈的系统，通过透明固化窗口实时检测粉末层缺陷。另一种是激光声学共振光谱（LARS），通过激光激发打印部件并分析其声学共振来检测异常，可识别尺寸小至1毫米×1毫米×200微米的内部缺陷，并且可以集成到现有设备中，无需专用平台。
在建模方面，University of Magdeburg的研究人员通过模拟月壤在沙漏结构中的流动，以再现粉末通过定向能量沉积喷嘴时的行为；而Universidade Federal do Vale do São Francisco的团队则在研究粉末床中的气流模型，试图用气流来稳定零重力环境中的颗粒，从而替代地球上重力的作用。
目前，一些由NASA资助的项目正在将这些研究转化为实际硬件。Big Metal Additive正致力于减少月球栖息地结构制造中的材料浪费并缩短生产时间；Redwire正在开发将月壤加工为道路、着陆垫和栖息地基础的平台；ICON则基于其在地球3D打印混凝土结构方面的经验，与NASA合作开发月球建筑系统；Blue Origin正在推进原位资源利用技术，从月壤中提取氧气和金属，用于在月球上制造太阳能电池和电线。
该研究题为《Powder characterization for in-space additive manufacturing》，由D. Scott Fernander、Rakeshkumar Karunakaran、Paul R. Mort和Michael P. Sealy共同完成。
