来自西安交通大学和中国空间技术研究院的研究人员在ScienceDirect上发布了一篇综述，详细介绍了太空中使用聚合物和纤维增强复合材料的3D打印进展。文章指出，原位增材制造作为一种变革性方法，能够绕过发射约束，在轨道上快速制造工具、组件和大型结构。该技术能有效解决载荷质量、备用零件和发射几何限制等问题。研究还讨论了微重力和真空条件对打印的影响，并介绍了不同材料和技术的应用，包括PEKK、PEI等高强度材料。随着技术的不断发展，太空3D打印将在长期任务中发挥重要作用。
太空中3D打印复合材料的先进技术
西安交通大学和中国空间技术研究院的研究人员在ScienceDirect上发布了一篇综述，详细阐述了使用聚合物和纤维增强复合材料进行的太空3D打印进展。文章指出，原位增材制造是一种变革性的制造方法，它能够绕过发射约束，并直接在轨道上快速生产工具、组件和大型结构。
在太空中进行增材制造可以解决与载荷质量、机上备件和发射几何形状相关的挑战。传统的制造方法依赖于地面组装，然后通过发射将物体送入太空，发射费用高达每千克超过1万美元。结构的尺寸受到有效载荷整流罩的限制，而发射过载则需要过多的设计冗余。相比之下，轨道上的3D打印可以实现轻量化和结构高效的设计。热塑性聚合物，特别是纤维增强类型，由于其较低的加工温度、高强度重量比、抗辐射能力和可回收性，成为优选材料。
微重力和真空条件对打印性的影响
微重力和真空是影响太空打印的两个主要条件。综述指出，熔丝沉积成型（FFF）是最具可行性的技术，因为它使用固体丝材进料，并且没有自由流动的液体或粉末。美国国家航空航天局（NASA）于1999年首次在抛物线飞行中测试了基于挤出的3D打印技术，使用的是ABS材料。之后，Made In Space Inc.（MIS）在国际空间站（ISS）进行了首次在轨打印，时间为2014年。MIS和NASA使用ABS、Ultem 9085和HDPE在ISS上打印了超过200个部件。
微重力打印的实验比较
实验比较显示，在微重力环境中打印的样品几乎没有出现机械性能退化。例如，在1g条件下，ABS样品的拉伸强度（Xt）为23.86 MPa，模量（Et）为1.52 GPa，压缩强度（Xc）为51.37 MPa；而在微重力环境下，打印的样品Xt为25.03 MPa，Et为1.45 GPa，Xc为43.37 MPa。尺寸变化（DV）在-0.3 mm到+0.13 mm之间。欧洲航天局（ESA）和德国航天中心（DLR）在抛物线飞行中打印的PLA部件，最大层高在0g环境下为0.26 mm，而在地球上为0.16 mm，尽管如此，拉伸强度在两者之间均保持在33 MPa以上。
微重力对材料流动的影响
由于没有重力，液体的静水压力消失，改变了典型的材料流动。表面张力成为主导力，增加了熔化断裂和球形珠粒形成的风险。Crockett等人提出的连续性标准表明，喷嘴高度应保持在喷嘴直径的π倍以内，以确保均匀的丝材沉积。Hafley等人证实，精确的喷嘴与基材之间的距离控制在微重力环境中能保持打印的连续性。
真空条件对热控制的挑战
真空条件带来了热控制的挑战，因为失去了对流冷却。热量的传递仅依赖于导热和辐射，这减缓了冷却速度并改变了温度梯度。Spicer等人在弗吉尼亚理工大学开发了一种真空兼容的热端，配备了钛热断和辐射热沉，能够在390°C下保持操作稳定，同时将进料温度控制在85°C以下。利用该系统，PEKK、PEI和碳纳米管增强型材料在0.01 Pa下打印了100多个功能部件。
真空测试和性能差异
模拟真空测试显示，性能差异显著。PEEK材料在100 Pa环境下打印的部件，其V-90方向的拉伸强度比常规大气条件下的样品高212.5%（10.0 MPa对比3.2 MPa），表明层间粘结力得到了提高。然而，在真空下打印的H-0和H-90 SCF/PEEK样品分别表现出6.3%和29.7%的拉伸强度下降，这主要是由于孔隙率增加。微观结构分析显示，真空下SCF/PEEK的孔隙率为28.91%，而纯PEEK则几乎没有孔隙，归因于挤出过程中封闭气孔的膨胀。
气体排放和材料适用性
气体排放是一个关键限制因素。NASA要求材料的总挥发物（TML）小于1%，并且凝胶挥发物（CVCM）小于0.1%，符合ASTM E595标准。PEKK和PEI的TML分别为0.41%和0.48%，CVCM为0.00%。PLA、ABS、PETG、PC和PEEK符合这些标准，而PA则超出了标准，因此不适合在长期轨道使用中应用，除非进行配方调整。
太空3D打印的结构应用
太空3D打印的结构应用主要集中在两大类：碎片防护和支架框架。Gabriel等人开发了一种可变密度格栅屏障，采用Ultem 1010和9085材料，并通过内部倾斜面来偏转碎片云。在高速试验中，该屏障成功吸收了以5.2 km/s速度撞击的4 mm铝质弹丸。Tethers Unlimited公司开发的Spiderfab系统，使用SCF/PEEK带材通过加热模具拉挤制造了三角形支架单元。一个重340克的10米支架以每分钟15厘米的速度完成制造。Redwire的OSAM系统通过回转推送沉积技术制造了37.5米的Ultem 9085支架，在真空条件下验证了850毫米段的制造。
太空回收和资源再利用
为了维持长期任务的材料库存，太空回收变得至关重要。Tethers Unlimited公司开发的Refabricator设备于2018年在ISS上部署，能够将Ultem 9085进行闭环回收。在六次打印/回收迭代后，拉伸强度提高了约10%，尽管断裂应变下降了20%。第二款设备Recycler采用了类似的熔融挤出模型。
纤维增强复合材料的回收与再制造
对于纤维增强复合材料，研究人员使用红外加热实施了反向熔融工艺。在真空（100 Pa）条件下，纤维束从熔融PEEK树脂中分离出来，并重新拉制成丝。再制造的CCF/PEEK复合材料显示出233.8 MPa的拉伸强度和25.16 GPa的模量，均略高于原始材料（228.2 MPa和23.42 GPa）。弯曲模量提高了1.5倍。微观结构检查发现，由于在再制造过程中更好的纤维湿润性，树脂浸润性得到了改善，孔隙减少。
未来研究方向
综述指出，未来研究需要进一步关注四个领域：多条件太空环境的准确模拟、适应微重力刚度约束的结构设计、利用机器人系统进行自主轨道组装以及多材料打印的多功能结构集成。尤其是长期暴露在温度波动、原子氧和辐射下的影响，目前仍未得到充分探讨，仍是一个限制性的未知因素。
