3d打印技術(shù)在航天領(lǐng)域中有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用前景，甚至很可能會(huì)成為未來(lái)「太空產(chǎn)業(yè)化」路上的一項(xiàng)至關(guān)重要的技術(shù)。
1. 現(xiàn)階段 3D 打印在航天上的應(yīng)用
3D 打印開(kāi)始火熱也就是在最近幾年，所以這項(xiàng)新技術(shù)在航天上的應(yīng)用并不多。不過(guò)，NASA 以及國(guó)外的一些航天公司已經(jīng)就 3D 打印技術(shù)在航天上的應(yīng)用展開(kāi)了初期的嘗試。下面簡(jiǎn)要介紹一下：
1）NASA
NASA 一直鼓勵(lì)前沿技術(shù)在航天中的應(yīng)用，3D 打印也不例外。在 2014 年 11 月 17 日，第一臺(tái)太空 3D 打印機(jī)在國(guó)際空間站上安裝成功。這臺(tái) 3D 打印機(jī)是由 Made In Space 公司制造，由 SpaceX 的龍飛船運(yùn)往國(guó)際空間站（SpaceX CRS-4）。
那么 ISS 上的首臺(tái) 3D 打印機(jī)表現(xiàn)如何呢？
在完成機(jī)器的安裝和調(diào)試工作后，NASA 先讓它打印了一個(gè)扳手。這個(gè)工具的圖紙是由工程師在地面設(shè)計(jì)完成之后，上傳到 ISS 的 3D 打印機(jī)中的。所以理論上來(lái)說(shuō)，只要 ISS 不斷網(wǎng)，任何常用的工具都可以由地面設(shè)計(jì)好，再命令太空中的 3D 打印機(jī)進(jìn)行制造。
隨后的幾個(gè)月內(nèi)，這臺(tái)打印機(jī)也制造了一些其他的部件。2015 年 2 月，這些在太空中制造的產(chǎn)品同樣搭乘龍飛船順利運(yùn)回地球，隨后轉(zhuǎn)送到了 NASA 的馬歇爾太空飛行中心（Marshall Space Flight Center）進(jìn)行后續(xù)的測(cè)試，以驗(yàn)證在零重力環(huán)境下使用 3D 打印技術(shù)制造產(chǎn)品的可行性。到目前為止，還沒(méi)有測(cè)試的后續(xù)報(bào)道。
2）Made In Space 公司
談到太空 3D 打印，就不可不提到太空制造公司。上面說(shuō)的 ISS 上的首臺(tái) 3D 打印機(jī)就是由他們制造。這家公司成立于 2010 年，公司總部位于加州山景城，目前員工僅有 22 人。
太空制造公司是首家研究零重力下 3D 打印技術(shù)的公司。為了在失重環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，他們一共開(kāi)展了400余次零重力的拋物線飛行（由 NASA 的 Flight Opportunities Program 進(jìn)行資助），并向 NASA 驗(yàn)證了零重力 3D 打印的可行性。
在 ISS 的 3D 打印測(cè)試成功之后，太空制造公司也沒(méi)閑著，繼續(xù)和 NanoRacks | The Operating System of Space 合作，開(kāi)展了一個(gè)AMF（Additive Manufacturing Facility）項(xiàng)目。計(jì)劃在 2015 年，再給 ISS 發(fā)送一個(gè)使用 3D 打印技術(shù)的生產(chǎn)設(shè)備（First Machine Hardware Store In Space），并提供商業(yè)使用。
3）SpaceX 公司
關(guān)于 SpaceX 公司對(duì)于 3D 打印技術(shù)的應(yīng)用，基本上都囊括在了這篇文章（SpaceX Launches 3D-Printed Part to Space, Creates Printed Engine Chamber）之中。
在 2014 年 1 月 6 日，SpaceX 發(fā)射了一枚獵鷹 9 號(hào)火箭，這枚火箭其中一臺(tái) Merlin 1D 引擎有一個(gè) 3D 打印制造的主要氧化劑閥門(mén)（Main Oxidizer Valve，MOV）。相比傳統(tǒng)部件，使用 3D 打印技術(shù)制造的部件具有更高的強(qiáng)度、延展性以及斷裂強(qiáng)度。3D 打印的 MOV 只花了兩天時(shí)間來(lái)生產(chǎn)，而使用傳統(tǒng)澆鑄技術(shù)生產(chǎn)則需花費(fèi)數(shù)月。
作為龍飛船 2 號(hào)的引擎，SpaceX 研制的 SuperDraco 引擎，其腔室完全是使用 Inconel 合金打印的。

SuperDraco 引擎于 2013 年底進(jìn)行了點(diǎn)火測(cè)試：
相信 SpaceX 未來(lái)會(huì)繼續(xù)使用 3D 打印技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。
2. 3D 打印技術(shù)的應(yīng)用前景
3D 打印技術(shù)應(yīng)用在航天上不超過(guò) 3 年，那么這項(xiàng)技術(shù)是否有著更廣大的應(yīng)用前景呢？
我的回答是肯定的。
由于地球與太空之間存在的巨大的運(yùn)輸成本，在太空中制造的產(chǎn)品，其與地球上的產(chǎn)品進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)是毫無(wú)優(yōu)勢(shì)可言的。但是，相比從地球上運(yùn)來(lái)的產(chǎn)品，這些在太空中制造的產(chǎn)品在太空市場(chǎng)上顯然更具有競(jìng)爭(zhēng)力。而 3D 打印技術(shù)是太空生產(chǎn)的關(guān)鍵性技術(shù)，也可能是太空產(chǎn)業(yè)化之路的關(guān)鍵所在。
首先，3D 打印技術(shù)具有可設(shè)計(jì)性
只需要通過(guò)天地間信息的流通，太空中的 3D 打印設(shè)備就能夠制造形狀各異、功能各異的產(chǎn)品。想當(dāng)年哈勃太空望遠(yuǎn)鏡剛剛被送上太空的時(shí)候，由于鏡面制造時(shí)產(chǎn)生的誤差，其所拍攝的照片十分模糊。當(dāng)年 NASA 的工程師提出的解決方案是，再進(jìn)行一次航天飛機(jī)發(fā)射任務(wù)，給哈勃安裝一個(gè)修正鏡，哈勃才能夠正常使用。
未來(lái)在太空中不可避免地會(huì)遇到各種突發(fā)的硬件事故，如果一些硬件能夠通過(guò) 3D 打印技術(shù)在軌道上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)制造，就能夠?yàn)檫@些問(wèn)題的解決帶來(lái)更多的便利。
除了解決突發(fā)事件，3D 打印技術(shù)的可設(shè)計(jì)性讓未來(lái)的太空產(chǎn)品充滿了可能性。一個(gè)充滿創(chuàng)意的例子是由 Cosmic Lifestyle 設(shè)計(jì)的零重力水杯。
這種水杯利用了水的表面張力巧妙地解決了太空失重條件下水四處漂浮的問(wèn)題，從而讓航天員告別水袋使用上水杯，而這種幾何形狀十分復(fù)雜的產(chǎn)品使用 3D 打印技術(shù)來(lái)制造再合適不過(guò)了。
其次，3D 打印所使用的原料可以取自太空
航天的成本居高不下的原因是因?yàn)榈厍螨嫶蟮囊?shì)阱，現(xiàn)在 SpaceX 在研究可重復(fù)使用火箭技術(shù)，以及 ISS 內(nèi)部先進(jìn)的循環(huán)系統(tǒng)，不就是最大限度地進(jìn)行可重復(fù)使用，以達(dá)到降低成本的目的么。
對(duì)于 3D 打印而言，其可重復(fù)使用性就顯得格外突出。3D 打印本身就是一項(xiàng)將原材料化零為整的制造技術(shù)，如果在太空中制造的產(chǎn)品出現(xiàn)損壞了，只需要把它融化成原材料再次進(jìn)行打印就可以了。即使考慮原材料損耗，可重復(fù)使用的 3D 打印也比一次性使用要便宜得多。前面提到的太空制造公司同樣也在開(kāi)展 R3DO 項(xiàng)目，旨在研發(fā)可重復(fù)使用的打印材料。
考慮到未來(lái)金屬 3D 打印技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，以及相比傳統(tǒng)鑄造工藝，金屬 3D 打印出來(lái)的產(chǎn)品性能更好（3d打印在打印金屬材料的時(shí)候能達(dá)到常規(guī)機(jī)械加工工藝的性能嗎？ - 3D 打印）。未來(lái)在太空中進(jìn)行金屬 3D 打印是很有可能的?，F(xiàn)在地球軌道附近有那么多報(bào)廢的衛(wèi)星，并且太空中沒(méi)有氧氣，所用的材料并不會(huì)氧化，因此未來(lái)將這些報(bào)廢的衛(wèi)星作為原料，進(jìn)行太空中的金屬 3D 打印來(lái)生產(chǎn)新的產(chǎn)品是很有前途的。
暢想地再遠(yuǎn)一點(diǎn)，以后進(jìn)行月球開(kāi)發(fā)或者小行星開(kāi)發(fā)，進(jìn)行就地取材（in-situ）生產(chǎn)絕對(duì)是至關(guān)重要。在 ESA 最近提出的月球開(kāi)發(fā)愿景中就提到，可能會(huì)使用以月壤為原料的 3D 打印機(jī)器人進(jìn)行月球基地的搭建，詳見(jiàn)下面的視頻：
【ESA】3D打印出月球基地！

而對(duì)于小行星開(kāi)發(fā)，如果 Planetary Resources 公司的小行星采礦計(jì)劃或者 NASA 提出的小行星開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略能夠順利實(shí)施的話， 3D 打印工廠也有可能以小行星為原料地進(jìn)行生產(chǎn)，從而形成一條完整的太空產(chǎn)業(yè)鏈。
此外，3D 打印能夠在太空中組裝大型結(jié)構(gòu)
這一點(diǎn)相比上面兩點(diǎn)可能就更為科幻一點(diǎn)了。我們都知道，目前太空中航天器的大小主要限制于其運(yùn)載器的大小。如果火箭上面級(jí)直徑太小的話，也就限制了航天器的直徑。這同樣也是為什么空間可展開(kāi)技術(shù)如此重要的原因。
而對(duì)于一些不可展開(kāi)的空間大型結(jié)構(gòu)，比如說(shuō) ISS，就必須通過(guò)多次發(fā)射加近地軌道組裝的形式，像搭積木一樣一點(diǎn)一點(diǎn)地建立起來(lái)。
如果 3D 打印技術(shù)能夠在太空中得到廣泛應(yīng)用，并且技術(shù)足夠成熟的話，直接在太空中使用 3D 打印機(jī)器人進(jìn)行空間大型結(jié)構(gòu)的制造也不是天方夜譚。事實(shí)上，已經(jīng)有國(guó)外公司提出了這樣的想法。
這家名為 Tethers Unlimited 的公司計(jì)劃開(kāi)發(fā)一種名為 SpiderFab 的制造系統(tǒng)，直接在太空中打印出大型結(jié)構(gòu)，初期可能只是生產(chǎn)天線、太陽(yáng)陣、桁架這些東西，如果技術(shù)走向成熟也有可能直接打印出航天器、大型空間站的主體結(jié)構(gòu)等等。
總結(jié)起來(lái)，3D 打印技術(shù)剛剛起步，而未來(lái)則蘊(yùn)藏著無(wú)限的可能性。3D 打印是一門(mén)將人類(lèi)所想進(jìn)行具現(xiàn)化的技術(shù)，只有創(chuàng)造性的思維才能讓這門(mén)技術(shù)散發(fā)出持續(xù)的活力。
而 3D 打印技術(shù)在太空中的應(yīng)用更是方興未艾，不過(guò)可以預(yù)見(jiàn)，如果太空中的產(chǎn)業(yè)鏈要發(fā)展起來(lái)，那么其由現(xiàn)在的高成本向低成本逐步轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)是不可阻擋的。3D 打印的可重復(fù)性和就地生產(chǎn)等等都能夠有效降低在太空中進(jìn)行生產(chǎn)制造的成本，同時(shí)人類(lèi)也能夠享受 3D 打印帶來(lái)的快速與便捷。
因此，在我看來(lái)，在人類(lèi)向著太空發(fā)展的歷程中，對(duì) 3D 打印技術(shù)進(jìn)行解鎖至關(guān)重要。如果未來(lái)的人類(lèi)在太空中還用機(jī)床沖壓、用車(chē)床切削、用熔融的金屬進(jìn)行鑄造，你不會(huì)懷疑是科技樹(shù)點(diǎn)錯(cuò)了么？