從理論上分析，3D 印表機在太空工作時會遇到哪些問題？

11-29

美國太空探索技術公司發射「龍」貨運飛船，給國際太空站送去第一部 3D 印表機和 20 頭小鼠。這是「龍」飛船第 4 次執行向太空站送貨任務。美國太空總署電視直播顯示，「獵鷹 9」火箭在夜色中搭載「龍」飛船從佛州卡納維拉爾角空軍基地升空。大約 10 分鐘後，飛船與火箭成功分離，進入預定軌道。via 「龍」飛船 3D 印表機運太空站

這是一個很有意思的話題，那天看到新聞的時候也想了下這個問題，第一反應是：卧槽，失重環境列印，那豈不是不用設置支撐了？（腦洞大開瞎想的。。。）

NASA使用的是FDM（熔融沉積製造）印表機，就是把塑料絲加熱到熔融態，一層層地平鋪出整個3D模型。
問太空列印可能存在的問題，具體一點，就是問FDM印表機在太空使用時會存在的問題。我現在每天都在用這玩意，所以談談我的看法。
最主要的影響，可能就是擔心失重會帶來什麼變化了。
我第一反應覺得失重可以不用設置支撐，不過仔細想了一下，雖然太空中可以懸空出絲，但是出來的絲如果不附著在一個固定的地方（列印平台或已經列印好的模型上），列印出來的部分會到處漂的。。。所以我覺得不需要設置支撐的想法是錯的。不過失重環境下，沒有重力的影響，印表機可以列印的無支撐跨距應該會更大一些。

失重對列印絲與平台的粘附問題，至少對平台與絲的粘附性問題，我覺得是沒有什麼影響的，如果有影響，也可能是更加微觀的材料方面的原因。
因為列印出來的絲彼此間的粘附靠的本來就不是重力，而是絲與絲之間的粘附力。覺得失重會導致耗材絲不隨著列印平台一起下降的，是非常錯誤的看法。耗材絲怎麼可能是因為重力隨著列印平台一起下降的？我都想把我們的印表機倒轉過來列印試下，驗證我的想法是不是對的了，估計如果我真試了，同事會罵我腦殘的=.=不過我想如果我把印表機倒過來也能正常運轉的話，印表機在失重狀況下，應該也就不會有什麼狀況了。。。

想來想去，覺得好失望，好像沒有啥問題。結構上可以運行、硬體不會壞、軟體也能運行、耗材絲也可以正常擠出、擠出的絲也能彼此間正常粘附上。NASA最終也把項目搞定了，不知道背後有沒有特別的技術突破沒有，想來應該是沒有特別屌的突破吧。很失望的感覺，好像是噱頭一樣。
應用前景讓人嚮往，不過目前主要是用來替代一些太空站里的常用工具，替代機械部件，估計還有很長的路要走。

說點題外話，NASA在太空進行3D列印在國外主要3D列印網站上引起的關注度還不如中國3D列印房子的新聞關注度高。。。我用feedly訂閱的新聞中，NASA太空3D列印的點贊數基本最多只有幾K，但是中國3D列印房子的，都超過了10K的贊。。。

花1個小時寫這個答案，只是覺得這個答案下的主流想法和我想的不太一樣，發表一下我的看法。

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下面是一些我關注的細節問題，分享給喜歡3D列印的知友們。
在常規環境中使用中，最大的幾個問題是：列印第一層材料與列印平台的粘結問題；列印速度太慢；噴嘴堵頭；模型的冷卻。
回答這個問題前特地找了youtube的視頻看了下，太空印表機都基本都解決掉了：
第一層材料與列印平台的粘附問題。截圖如下：

列印平台沒有像普通桌面級印表機那樣貼膠紙、塗膠水。我們自己也試過，列印平台用合適的材料，確實可以不用膠水或者貼膠紙，耗材絲可以直接和列印平台粘在一起。從上面的圖看的話，列印過模型的地方有灼痕，猜測列印平台表面也是塑料，不過，也有可能是與列印塑料親和性比較好的複合材料吧。
不過塗膠水也不會像大家想的那樣，表面質量很差，相反，如果列印平台用玻璃板，在上面塗膠水或者噴髮膠，列印模型底面非常地光滑！（這一點和大家想的真的不一樣）
列印速度很慢。看視頻中印表機的速度比我們平時用的速度慢很多，估計速度連桌面級的一半都沒有。可能是保守，最開始試驗，把列印速度控制得很低。正常列印速度應該問題不大，而且在失重環境下，印表機能夠列印的最大跨距會比非失重環境更大一些。
噴嘴堵頭，屬於材料與機械設計的問題，老美那麼屌，這麼簡單的問題不會搞不定的。
模型的冷卻，這個是桌面級印表機非常難搞定的問題。塑料有縮水率，所以冷卻會收縮，尤其是ABS這種縮水率高的塑料，非常容易出現模型變形、底面翹曲的問題，工業級FDM印表機的解決方法是讓列印空間保持恆溫，保持在70℃。這樣模型冷卻會慢一些，變形問題可以減輕很多。NASA這個印表機，當然也是會用這樣類似的方法解決這個問題。

1月29號更新

去年從老闆處得知，製造國際太空站（ISS）3D印表機的NASA的contractor Made in Space的CEO將會在近期訪問我們實驗室，屆時我們會請教其在製作外太空3D印表機時遇到的困難。（目前還沒來）
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主要困難有且只有一個：在空間站缺乏與地面相同重力的情況下，NASA如何設計出可以適合在空間站重力環境下工作的FDM 3D印表機，同時確保FDM機器的可控性、可靠性。FDM原理不難並且要求不高。（看了 @汪小波的答案，他的分析是正確的）我個人認為NASA在PLA/ABS的材料上以及FDM機器的托盤面上下足了功夫。以解決FDM機器在太空中工作時可能遇到的材料變形或是定位出現誤差等問題。

首先，NASA發送進入空間站的3D印表機是基於FDM技術的塑料印表機（即桌面印表機，Fused Deposition Modeling，熔融沉積製造，FDM三維印表機），簡單地概括一下其工作原理（舉例如果NASA要在空間站製作一個10cm高的零部件並且假設印表機列印層高0.1mm）：
1. 將一個高10cm（100mm）的物體沿z軸平均分成1000份。
2. 印表機開始逐層列印。打完第一層後，整個印表機盛放列印物品的托盤下降0.1mm。
3. 開始列印第二層。
4. 步驟2-3重複1000次後，整個物體結束列印。

在地球表面，因為重力影響，當托盤下降0.1mm後，托盤上的列印物體也會隨著托盤下降而下降。從而使得整個過程流暢進行。那麼到了太空站之後，當托盤下降後，托盤上面的列印物體或不會照預期隨著下降，那麼按照一般程序，列印的第二層將會和第一層重疊，列印失敗。同時，如果每兩層之間無法緊密粘合，那麼列印成果表明可能就會有空洞，同樣列印失敗。當然，每層材料之間的粘合性也是考慮的一點。（之前在其他回復中看到了有說在桌面機的托盤上塗膠水是常態的，實際上真正優秀質量的FDM機器是完全不需要塗膠水的啊，因為塗了膠水的話會導致托盤表面不平從而間接影響列印質量啊。所以如果能通過材料以及機器本身的技術攻關解決這一問題，膠水是能不用最好。當然實際應用中淡淡地塗一層液體膠影響也不是很大。）

我個人看法，比較靠譜的解決方法之一便是在每兩層間直接加膠水，或者直接開發粘性很強的材料。而這一切，諸如測試新的合適在太空中使用的ABS/PLA塑料材料，印表機的控制操作等，我相信也正是NASA在過去幾年裡為了製作太空3D印表機的所做的科研和努力。最後結果自然也是拭目以待。http://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/1115.html

當然也有一些其他問題，不過相較於因重力環境引發的的問題，解決難度還是較低的。

目前看來這個項目非常成功，proof-of-concept的目的已經達到。期待NASA在太空建築以及其他3D列印領域的發展。

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關於為何選擇FDM技術：
FDM技術是塑料列印中最成熟也是技術要求最低同時精度相對最低的工藝。同時，它對機器設備的要求也是最低並且工藝更多依賴機械擠壓，理論上受重力影響最小。因此是最合適的用來試驗的技術。實際上還有個原因就是成本低。

相反，以液體或粉末材料為基礎的SLS（Selective Laser Sintering，選擇性激光燒結工藝，3D列印 -- 3d-print），SLA(Stereo Lithography Apparatus，立體光固化成型法，SLA_百度百科)，SLM（3D列印金屬技術――SLM-中國3D列印技術產業聯盟）雖然也很成熟，但是受限於重力環境（尤其是液體和粉末在太空中的可控性大大降低）短期內或無法在太空中展示手腳。同時配套設備要求高，體積質量偏大，因此不適合送去空間站使用。還有就是成本高……
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關於開發空間站用3D印表機的用途：
與陸軍、海軍開發3D印表機的用途基本上一致，在硬度等諸多因素達標的前提下，方便快捷地快速製造零部件以更新損壞的零部件。

比如，有一天空間站里一個實驗艙里一個螺絲、螺母壞了，但是替換品用完了，那麼如果沒有3D印表機，NASA就需要等下一發火箭補給才能把缺的零部件送去空間站（要是周期太長，那麼缺乏相應零部件的實驗基本上就報廢了）。如果有了3D印表機，壞了直接按照事先保存好的藍圖列印出來，最多1-2天也能投入實用了。再比如，實驗室里的工具，諸如扳手之類的壞了。那麼也是可以直接用3D印表機快速「造」出一個來，當然硬度和實用性還需考量。

太空用3D印表機的發展對於解決日後人類探索外太空的補給問題尤為重要。

最後加一個彩蛋：實際上目前3D列印技術在航天領域中還有一個黑科技的應用：列印衛星。不過貌似現在網上所提供的細節還不是很多，大致也只有Lockheed和NASA在做。等到以後該應用成熟了我再另開一題更新吧。

最後的最後，我腦洞大開：3D印表機在空間站能夠正常工作+3D印表機可以製造出衛星=人們可以直接在空間站製造出衛星。這樣的結局我已經不敢繼續想像下去。但是這一結果或許已離現實不遠。

關於3D列印的定義：
什麼是3D列印技術？ - 呂朕的回答
3D 列印的瓶頸是什麼？ - 呂朕的回答
大神解釋下3D列印到底是一個什麼樣的技術？未來會對我們的生活帶來那些改變？ - 呂朕的回答
關於3D列印的前景：
如何分辨太陽能電池、LED、物聯網、3D列印、大數據科技概念是炒作還是前景光明？ - 呂朕的回答
3D列印在建築、土木的應用：
如何評價上海建築商用 3D 列印技術 24 小時列印 10 棟房屋？ - 呂朕的回答
3D列印在汽車領域的應用：
如果 3D 列印被大範圍採用，對汽車行業的製造和物流有哪些影響？ - 呂朕的回答

先寫這麼多啦。

好用不好用基本取決於耗材的狀態：

最常見的FDM（熔融擠出），工件和耗材（熔化的塑料絲）都是電機強制驅動的，基本不會受失重影響。托盤下降過程中層間粘結沒問題，因為工件粘在托盤上有強度、噴頭壓在工件上有壓力。列印過程中熔化塑料散發的氣味在密閉的太空艙里倒是可能有點問題需要安全認證。

SLA（光固化）和SLS（激光粉末燒結）的耗材是散裝液體或粉末床，還需要重力鋪平。這些在失重狀態下沒法用，除非太空艙有人造重力。

SLM（激光熔覆）製造的工件強度最高最適合航天用途。如果使用同軸噴粉的話一定程度上也有類似問題，消耗和排放大量惰性氣體也比較麻煩，但這些問題還是可以解決的。

簡答，本質上講3d列印受到無重力環境的影響不大，應為基礎原理是通過熱熔，焊接，粘結等方式將材料成型，但是原料狀態時會受到很大影響，例如@呂朕提到的升降板的問題，還有例如粉末狀物體的漂浮，顆粒狀物體難以定位等等，但是相對於解決太空中備件的問題的急迫性，這些都不是事，只是成本問題。

最近在看到一篇說這個的文章，貼出來補充一下：

2014年11月，國際空間站的宇航員們利用3D列印技術，製造出第一把「太空工具」——扳手。隨後，世界各地的媒體都報道了這條新聞。那麼，這個成為大明星的扳手長什麼樣呢？請看下圖：

額……很普通的樣子……您有點兒失望是吧，那再來一張！

有沒有好一些？

這個……真不是逗您。那麼問題來了，這個長相平平（也就比屌絲級別略勝一籌吧）的四角扳手，為啥會在全球引起轟動呢？問題的核心在於，以往國際空間站內缺少某種工具時，宇航員們就得等上好幾個星期甚至幾個月才能獲得想要的工具，畢竟離地球有些遠，順豐、申通什麼的業務也還沒發展到那邊。但！如今！憑藉在空間站里安了家的3D印表機，宇航員們就再也不用「等你等到花兒也謝了」……

除了給宇航員們帶來直接便利外，這一行為本身的象徵意義其實更大，因為這是人類在太空製作的第一件工具，而我們知道，工具對於人類進步的意義是巨大的。科學家們說，最早表明人類與其他猿類行為發展不同的跡象，就「體現在人類廣泛地使用工具」。

正是印製界老前輩——14世紀的古登堡發明並製造出了鉛活字版機械印刷機，使得印刷品變得非常便宜，印刷速度大量提高，印刷量增加，從而使得歐洲的文盲大量減少，也成為之後歐洲變革最為關鍵的一個工具。當然，我們並不能說歐洲的政治革命、科學革命、宗教改革、文藝復興、商業和教育變革是古登堡印刷機引發的，但如果沒有古登堡印刷機的出現，這些或許將推遲N多年。鑒於古登堡這項發明的重要意義，美國學者麥克·哈特在他所著的《影響人類歷史進程的100名人排行榜》中，將古登堡排在第8位，可見其在人類歷史上巨大的影響力。

而第一把3D列印的太空扳手，其頗為偉大的歷史意義，或許在穿越千年後的3015年，會被那時的人類（如果那時還有人類）天天拿著歷史教科書頂禮膜拜。

嗯，知道了事情的嚴重性後，接下來，我們就來嚴肅地介紹一下這個扳手是如何列印出來的，這裡面的每個環節，都展示了科技的前沿和人類的進步。

首先，地面工作人員製作扳手模型文件，發送文件到空間站

然後，宇航員操作3D印表機，開始列印，整個列印時間約4小時

列印完成後，宇航員興奮地展示了具有劃時代意義的扳手

據說，包括這把扳手在內的其他3D列印「成果」也將被送回地球，檢測它們是否與地球上製造出的產品存在差異，以便研究長期失重對於3D列印工藝的影響和模擬太空中製造的物體的未來表現。

您看，這麼有逼格的扳手還是值得各大媒體捧一下的吧。

好了，說了這麼多，彩蛋也是時候出現了：作為國內最專業的3D列印網站——魔猴網的資深從業人員，太空扳手神馬的，對我來說還是小case的，我分分鐘就能打一個出來！（此處嘖嘖聲可以多一點兒）

首先，要弄個模型文件，這麼簡單的造型，建模也花不了多久，但本著能少動手就少動手的原則，我決定上網去下載一個開源文件，是的，你們猜對了，我在魔猴網輕鬆找到了扳手的開源文件……

然後，用軟體處理一下這個文件

接下來就開始列印了

考慮到是隨便打一個，並不打算做多大實際用途，我決定扳手中間採用網狀結構

耗時一個半小時，比太空那個用時少了很多呢！（嘿嘿，鼓掌鼓掌！）

最後的成品展示

外星人會覺得咱落後

謝邀
在桌面級印表機外部做個一個真空環境的外殼，來處理無重力情況。
詳細情況請參考Made in Space公司的具體信息。希望能幫到你。
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由龍飛船運上去的是Zero-G 的桌面級3D印表機。

會飄來飄去

沒有重力可以創造出一個重力

發射一個小型離心機上去，轉速不用很高就可以模擬出和地球相近的重力（至少比沒有強）

再把列印設備安裝到離心機上，開機...

至於這樣會不會因為偏向力導致列印扭曲的問題就不得而知了（融化的材料天女散花...）

先要測定材料的固化的時間，然後逐步調整離心機的轉速，並且要在列印演算法上做相應修改

理論上不是沒辦法~

也許不會是問題，也許效果會非常藝術。

放在真空的環境里試試不行嗎？

溫度控制就是很大的問題，普通感測器測出的溫度也就不準了，更別說風扇降溫更不行了，
然後太空溫度變化較大，軸承潤滑都得換

如果是壓力供料，那就沒有問題。

好吧，既然說到把一台3D印表機送上天，那我就來講講現在都能把什麼東西送上去。
主要通過運載火箭，這種傳統方式。
3D印表機，這貨肯定需要很高的精度，否則工作不正常。
同樣精度要求很高的貨，就是激光器和光學元件，沒錯，就是學校做物理實驗用的什麼透鏡，半波片啥的。先把這貨在地上組裝好，一般採用把元件固定在一塊底板上的辦法，然後裝衛星發射。
然後呢？上天以後你會發現這貨，碎了…
就醬，因為火箭剛點火時候的發射階段有非常大的震動，直接震碎了。
於是傳統的螺絲啥的都不能用，只能用一種特殊的膠粘。這種膠…可能是世界上最貴的膠之一…怎麼用這種膠把玻璃片子粘上，需要一個實驗室和一堆苦逼研究僧研究…
於是我就想說，可能陸地上用的挺好的東西，它根本上不了天。火箭可沒有動車高鐵那麼平穩，也不是像包快遞一樣包好了就能完整送上去的。