在轨增材制造引领太空制造的未来

导言：随着载人空间站、探月及深空探测任务推进，“太空制造”已从概念走向工程实践。在轨增材制造(In-Space Additive Manufacturing，ISM)作为太空制造的核心落地技术，正深刻变革航天器设计、发射与运维模式。本文聚焦其国际布局、技术突破、发展趋势及启示建议，梳理演进脉络，为我国太空制造技术发展提供参考。

首个在太空3D打印金属部件

一、国际布局中的在轨增材制造

在轨增材制造(ISM)已成为全球空间技术竞争的新高地，中、美、欧三方形成各有侧重的战略推进路径，国际协作同步走向深入，共同推动该技术从验证阶段迈向实际应用。

1.1美国：技术先行与商业生态协同

在轨增材制造领域，美国处于全球领先地位，已构建从基础验证到产业化协作的完整体系，2025年进入任务集成与商业协同阶段。NASA将其纳入核心能力框架，通过《2025年在轨服务、装配与制造现状报告》明确战略定位;持续推进国际空间站(ISS)任务，突破GRX-810新型合金等材料技术，完成轻量化结构件、通信天线等工艺验证;商业生态成熟，美国Redwire Space公司推进设备商业化，军方与产学研协同攻关，形成“验证能力-应用扩展-生态建设”路径，未来聚焦多任务集成与机器人融合。

NASA在不同阶段的在轨制造路线图

GRX-810：NASA新型高温3D打印金属合金

1.2中国：自主验证与平台化推进

中国在轨增材制造布局始于2020年，新一代载人飞船试验船完成连续纤维增强热塑性材料在轨打印，标志进入工程验证阶段。2025年4月，中国航空制造技术研究院突破冷阴极电子枪“太空级”3D打印技术，攻克太空金属增材制造国外垄断难题。该技术解决微重力金属熔滴飘移问题，钛合金成形精度达0.1毫米级，设备体积仅为地面1/4，单次任务可节省发射成本约2300万元，性能超越国际空间站现有设备。

1.3欧洲：材料工艺向承载结构突破

欧洲空间局(ESA)联合空客、英国克兰菲尔德大学等研发微重力金属3D打印系统，2024年在ISS(国际空间站)哥伦布实验舱安装首台设备并成功打印金属样件，2025年返回地球完成性能测评，实现国际首例在轨金属构件系统验证。该突破不仅证实金属在轨打印可行性，更推动载荷承载部件、连接件等高端工艺发展，为大尺寸空间结构制造提供技术支撑。

ISS上的首台金属3D打印机：材料与部件制造演示

1.4国际协作与多边探索

全球科学界与工业界围绕微重力打印工艺、材料性能调控、粉末控制、数值模拟等关键技术开展深入研究，跨国协作与行业标准化进程加速，为在轨增材制造全球化发展提供理论与实验支撑

二、核心技术突破

在轨增材制造技术谱系围绕聚合物与复合材料、金属、生物与功能材料三大主线展开，各领域均实现关键突破，应用边界持续拓展。

2.1聚合物与复合材料

国际空间站首台3D打印机采用熔融沉积成形(FFF)工艺，打印出打印头面板、卡扣等样件;后续AMF项目引入聚碳酸酯、聚醚酰亚胺等工程塑料，用于在轨维修工具与非承力结构件制造。中国则更早聚焦高性能复合材料，2020年通过新一代载人飞船试验船验证连续碳纤维增强热塑性材料在轨打印可行性，为高比强度结构制造奠定基础。当前，业界正在推进PEEK等高性能聚合物及高模量纤维增强体系的空间验证，同时构建“真空/微重力—材料—工艺—性能”一体化模型，破解微重力环境下的固化与界面结合难题。

2.2金属增材制造

金属在轨增材制造面临高温安全与粉末污染等挑战。ESA采用金属丝材熔化沉积方案，将设备集成于密封容器内，通过真空充氮控制气氛，2024年成功打印不锈钢“S形曲线”等样件。地面对比测试证实其成形质量达标，实现从“塑料工具”到“承力金属构件”的关键跨越。目前，激光定向能沉积(DED)及微重力参数数值模拟成为重要辅助手段，助力工艺窗口优化与质量预测。

2.3生物与功能材料

美国Redwire公司在ISS运营的“生物制造设施”，2023年成功在轨打印含活细胞的人体膝关节半月板，实现人类组织在轨生物打印首次演示。微重力环境对支架稳定性与营养传输的提升，为再生医学发展提供新路径。此外，流体成形技术利用微重力制备高平滑度光学透镜，推动增材制造从结构材料向功能材料延伸，拓展高附加值应用场景。

国际空间站内首次3D生物打印膝部半月板

三、发展趋势与推进建议

在轨增材制造正朝着任务内应用、在轨一体化服务、高附加值产品制造三大方向演进，需从技术研发、任务设计、系统集成等多维度精准发力，推动高质量发展。

3.1技术演进核心趋势

在轨增材制造的技术演进正呈现多维度深化态势，首要方向是从“样件验证”阶段迈向“任务内应用”，逐步将打印件融入非关键载荷支撑、光学支架等实际航天任务场景。在此基础上，技术发展进一步趋向与在轨装配、服务的一体化融合，通过标准化设计适配机器人作业需求，为大型空间设施提供全流程保障服务。与此同时，高附加值产品制造成为重要拓展方向，重点聚焦高端光纤、功能晶体、生物组织等领域，助力培育空间经济新的驱动力。值得关注的是，该技术与空间能源系统的融合已成为新兴热点，例如德国Dcubed公司研发的在轨打印太阳能发电组件计划于2026-2027年开展在轨演示，推动制造能力向空间能源基础设施领域延伸。

3.2发展启示与推进建议

(1)夯实材料机理基础，强化基础研究支撑

应优先聚焦航天领域高频应用材料，系统开展微重力环境下材料熔融、凝固及界面结合机理研究，破解真空/微重力与地面环境的工艺差异难题。同时引入集成计算材料工程(ICME)理念，多尺度热力-组织耦合模型，为工艺参数优化、缺陷预测提供坚实理论依据，从源头提升在轨制造的可靠性。

(2)分级推进试验验证，加速技术落地转化

建议建立“地面预研、近地模拟、在轨验证”的分级推进体系，充分利用热真空舱、落塔、抛物线飞行等平台完成前期参数筛选与风险收敛，降低在轨验证成本。同时推动示范任务与实际应用场景深度绑定，设计在轨打印专用支架、舱外构件修补件等小型任务，推动技术尽早融入航天任务链条，实现从“演示验证”到“实际应用”的跨越。

(3)统筹系统集成设计，构建良性经济生态

需将在轨增材制造纳入空间基础设施体系统筹规划，与在轨机器人、在轨服务等任务协同设计，形成“制造、装配和维护”一体化解决方案。同时建立全寿命周期经济评估体系，量化对比“地面制造发射备件”与“在轨制造原料发射”两种模式的综合效益，为战略决策提供数据支撑。此外，应重视技术的地面反向溢出价值，推动太空验证的高端制造工艺在极端工况构件等领域落地，促成太空研发与地面应用的双向赋能格局。

(4)推动交叉技术融合，强化安全商业赋能

加速人工智能、数字孪生等技术与在轨增材制造的深度融合，利用AI/生成式设计优化零件结构，借助高保真仿真平台降低在轨测试成本。同时强化安全运维体系建设，开展增材部件长期可靠性与空间碎片风险验证，保障在轨制造安全。在商业生态方面，可依托商业空间站布局在轨制造服务业务，构建“按需生产和维修保障”的商业服务网络，培育空间经济新增长点。(北京蓝德信息科技有限公司)

参考文献

1.NASA. 3D Printing: Saving Weight and Space at Launch [EB/OL]. ISS Research, 2025.

2.ESA. First Metal Part 3D Printed in Space [EB/OL]. European Space Agency, 2024.

3.Airbus. Behind the Scenes of the First Metal Part to Be 3D-Printed Aboard the ISS [EB/OL]. Airbus, 2024.

4.Redwire. BioFabrication Facility Successfully Prints First Human Knee Meniscus on Orbit [EB/OL]. BusinessWire Press Release, 2023.

5.Hoffmann, M., Elwany, A. In-Space Additive Manufacturing: A Review [J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2023, 145(2): 020801.

6.NASA. In‑Space Servicing, Assembly, and Manufacturing (ISAM) State of Play 2025 Edition [EB/OL]. NASA NTRS, 2025.

7.深圳市龙华区政府。知识科普：中国突破 “太空级”3D 打印技术，开启太空制造新纪元 [EB/OL]. 2025-04-14.