在8000米高空做3D打印这支青年团队开创了世界第一！

　　中国科学院太空制造技术重点实验室，这里有一支平均年龄为33岁的青年科研队伍。他们将中国制造瞄向太空，在国际太空制造领域拥有自己的一席之地。

　　2020年5月，在由长征5号B运载火箭搭载发射的中国新一代载人飞船试验船上，进行了一项特殊的实验——由立体光刻3D打印机进行陶瓷、金属复合材料的微米级精度在轨制造。

　　在试验持续的两三个小时里，中国科学院空间应用工程与技术中心研究员、太空制造技术重点实验室主任王功和同事们无比激动。

　　从2014年以来，中国太空制造试验从地面走向太空，这不仅是空间距离上的一大步，更是我国太空制造领域前进中的关键一步。

　　什么是太空制造？为什么进行太空制造？在王功看来，后勤补给资源是长期太空探索任务成功的重要保证，目前主要是通过发射运载火箭和货运飞船向空间站进行补给，不仅周期长，而且成本昂贵。

　　“如果需要的零部件在太空里就能直接制造，将是人类太空探索技术的一次性进展。”王功表示，太空制造技术是一项对未来航天探索任务具有性影响的战略性技术，是人类摆脱对地球资源补给依赖，探索更深远宇宙空间所必须掌握的关键技术之一。

　　虽然太空制造在空间站在轨应急维修保障、大型空间载荷在轨部署等方面具有很强的现实意义，但与地面环境相比，太空的长时微重力、强辐射、高真空、交变冷热循环等环境也给太空制造技术带来了新的挑战，对于太空制造装备，也需要满足高精度、低功耗、小型化、智能化等苛刻的技术要求。

　　2014年，我国成立科研团队开始太空制造研究。2017年底，中国科学院太空制造技术重点实验室正式成立，这是一支平均年龄只有33岁的青年科研队伍。

　　2014年9月，美国航空航天局在全球第一次将一台打印机送到国际空间站，这台放在手套箱里、以打印塑料为主的打印机并不大，各项指标都不算先进，但却引发广泛关注。

　　2015年，王功开始策划第一次微重力环境下的3D打印试验。由于当时我国还没有建成空间站，借助中科院与德国宇航局的合作关系，团队将试验挪到了欧洲航天局的失重飞机上。失重飞机在地面上模拟太空环境的一个重要试验平台。

　　正是利用31次重复循环的22秒微重力环境状态，王功团队不断测试3D打印效果，打印出“中国科学院”五个字。

　　29岁的3D打印机系统设计负责人刘亦飞，亲历了第一天的失重飞行。他说，第一次微重力环境3D打印试验，令团队收获颇丰，拿到样品那一刻，每个人都无比开心。

　　“试验成功了，其实试验目标并不是要打印多么完美的作品，而是我想验证一下微重力环境对3D打印的影响效果。”王功说。

　　通过这次试验，王功发现熔融沉积技术的两个缺陷：产品性能有限并且制造精度距离在轨直接装配使用还存在不小距离。

　　为此，在完成首次微重力模拟试验之后，中科院太空制造实验室转向利用立体光刻来进行太空制造的路线。

　　“这个原理很简单，利用紫外光去触发光敏树脂的光聚合反应来进行固化，有点像女生涂指甲油，然后在紫外灯下去照射固化。”王功说，这是一种被美国航空航天局研究过并被否定了的工艺。

　　“原因在于这种工艺的原材料是液体，而在微重力环境下，液体浆料受表面张力的影响，很容易自由飘散，难以控制其稳定状态，进而无法完成打印过程。”王功表示。

　　经过探索、试验，团队选择将陶瓷粉末、树脂溶液和光引发剂等材料进行混合匹配，开发出一种全新的陶瓷膏体材料。这种材料类似牙膏状，在没有外力时，可以保持固有形态，如此一来，在微重力环境下，仍然可以保证液体的形态可控，进而完成立体光刻的成型工艺。

　　“将纳米级、亚微米级金属和陶瓷粉末添加到光敏树脂溶液里，相当于把一袋面粉倒入一杯水中，并且还要保持纳米颗粒均匀分散，难度非常大。”王功说。

　　2018年，再次在失重飞机上进行试验时，立体光刻工艺被证明行得通，团队将“不可能”变成了“可能”，这也是中国团队在太空制造领域首次提出并验证一个新思路。

　　从2015年以来，团队先后完成了4次面向不同工艺和材料的地面微重力模拟飞行试验，从面向陶瓷浆料的立体光刻技术到金属材料铸造工艺、聚合物基复合材料回收与循环利用，团队一次次潜心探索，一次次难点。

　　2019年10月，在陕西西安阎良，团队通过与中国试飞院合作，完成了我国首次自主微重力模拟飞行试验，这次飞行不论对于中国太空制造，还是对未来太空技术验证而言，都是一次零的突破。

　　如今，在王功心中，还有很多技术难题求解答案，“太空制造不仅仅是在太空开展3D打印，还有很多制造方式正在进行尝试。目前都是非常简单的探索，重要的是以应用需求为导向，3D打印是解决太空制造的终极手段么，在我看来，实际上这项技术还有许多需要提高和改进的地方。”

　　王功坦言，如果太空制造存在小型零部件制造、大型空间装置制造及在轨组装、地外环境综合设施制造等三个阶段的话，那么人类目前的技术也只是处于在第一个阶段，尽管如此，随着上下行运输手段的丰富和技术的进步，实现太空办工厂的愿望并不会太遥远。