二、采用就地资源的自动增材建造（AAC）的前沿发展

通过方法、材料和材料提取工艺总结AAC的最前沿发展，详细描述一些方法，并列出性能参数，以进行任务规划。

A、前沿发展：方法增材建造可通过浆料挤压、烧结到熔化等多种技术实现，不同技术具有不同难度等级、成本和技术成熟度。此外，用于空间应用的增材建造具有特殊挑战；主要包括在真空或者低密度大气，以及在低重力（例如，在月球或火星上）或零/微重力（如小行星）环境建造。我们注意到，这些挑战也有希望实现新技术或克服地球上普遍面临的困难。例如，虽然缺乏大气使基于粉末的方法变得困难甚至不可能，但它也可以防止在熔化或烧结过程中氧化。此外，虽然低重力（或无重力）使一些沉积技术不适合，但它可建造复杂的三维形状而不需要支撑结构。

地球上多种技术的增材3D打印已经达到成熟，主要用于聚合物或金属基材料，已经有了商业和大规模应用产品。采用就地资源用于太空的AAC仍处于初步阶段，但在原则上，可以采用地面技术，尤其是那些用于土木及结构工程的地面技术。
    表2中的矩阵给出了一个（非详尽）可用技术概述，以及特定的参数和一些性能特征。所有方法都在地面上得到证明，然而只有塑料挤出过程已经在国际空间站（ISS）微重力得到证明。材料加工是指在表3、表4和表5中所解释的技术。商业或大学背景所列举的演示只能作为代表性例子。

关于表2中所列方法的优缺点，基于挤出的技术似乎具有空间应用的最大潜力。具体来讲，表土浆料和粘合剂的挤出或表土熔体的挤出（可能与烧结技术结合）适用于真空，并可用于低重力及微重力，条件是有合适的材料资源、计量系统、和机器人移动能力。
    下面讨论表2中列出的部分方法。
    1.水泥
    就像所有基于熔融沉积法（FDM）的3D打印处理机很慢，它们用小层来建造物体。大规模制造的一大飞跃是在1995年南加州大学的挤出技术，该技术称为轮廓工艺（Contour Crafting）。

图1 Loughborough大学打印的自由形式大规模混凝土部件

表2：具有空间应用潜力和就地资源应用的增材建造方法概述
（包括任务规划性能参数（ISRU材料加工规范见表3、表4和表5）空白单元格显示不明或专有数据）

轮廓工艺（CC）引入的主要创新在于：a）大孔挤压喷嘴，允许在挤压的浆料中包含比较大的固体颗粒，从而使粘性混凝土挤出成为可能，b）增加了计算机控制刮刀，使得可在逐层制造中极厚层上形成光滑表面，c）引入复合混合喷嘴系统，可建造具有各种内部结构的空心墙（例如，波状）。轮廓工艺（Contour Crafting）的地面应用可包括建筑建造以及多种类型中等规模物体的建造，如家具，浴缸等。最近在NASA支持下，轮廓工艺的外星应用正在研究和发展之中。出于此目的，月球和火星基础设施要素的建设已经取得一些进展，使用熔融表土挤压与轮廓工艺（Contour Crafting）的硫混凝土挤压技术。轮廓工艺（Contour Crafting）于2014年获得美国航空航天局技术大奖。拉夫堡Loughborough大学做出了基于挤出大规模3D混凝土打印（3DCP，3D Concrete Printing） 的另一进展，其中自由形式的结构已经建成，包括一些印在支撑结构（图1）上的水平结构。
    近来，在世界范围内已经有用于建筑混凝土挤压系统的其他方法，如Enrico Dini的Radiolaria。Cesaretti等（2014）的工作证实了可采用月表土模拟物和液体粘合剂将D型3D打印技术应用到大型建筑构件。此外，在空气和真空中所进行的试验表明，采用合适的注射方法可防止粘合液的蒸发或冷冻。其他例子包括盈创建筑科技（上海）有限公司(WinSun Co of Shanghai)建造半成品建筑物、美国建筑师Andrey Rudenko的城堡建造和黏土小屋建造者WASP。这些努力遵循轮廓工艺以前的先例，并且有助于进一步证实AAC的可行性。

2 .熔融沉积法（FDM, Fused - Deposition Method）实例

基于挤出3D打印早期发展，通过带有纤细孔口被加热的喷嘴来挤出热塑性材料。该工艺称为熔融沉积成型（FDM），现在已被FDM机器的众多小公司采用。多个研究组尝试加工诸如陶瓷等非聚合物材料，如桑迪亚（Sandia）研究实验室的Robocasting法和近期MIT Mediated Matter的玻璃打印工艺。
    胶粘技术是采用聚氨酯粘合剂与天然材料混合，在行星表面稳定并生产建筑构件。 采用20：1的表土与粘合剂比例，采用JSC-1A表土模拟物制造，具有超过1000psi抗压强度的预制块。该实例采用两部分低释气性聚氨酯树脂，一部分多羟基化合物提前与表土混合，随后在真空环境中混合液体异氰酸酯。胶粘技术也产生喷淋系统，其可在真空条件下以受控方式应用多羟基化合物和异氰酸酯部分，用于可能的铺砌和土壤加固。

3.微波熔化/烧结实例

微波JPL“sinterator”方法采用聚焦微波以受控方式熔化或烧结天然表土。研究表明月球表土样品可以采用微波烧结或熔化，且微波的独特体积加热在加热样品内形成了温度梯度。样品内部温度可以大大高于表面温度，导致烧结和之后的融化首先发生于样品内部而不是表面。采用微波处理月球土壤的一个选择是加热表面（图2，左图），或在管中加热（图2，右图）。磁控管电源用于矩形波导腔内激发单一模式共振。

图2.微波加热表面（左图），或管中表土（右图）

    耐高温管沿最大电场强度的路径垂直穿过腔室。采用螺旋加料器从上面将月表土压入管中，并随着其被加热、烧结然后融化，将月表土缓慢推过管段。熔融样品从腔室底部掉落，然后能被输送到预期位置。位于前端的一根辊设定层的高度，并且尾端的一根弹簧加载辊在滑动膜壳之间将热混合物按压为光滑层，置于其中以冷却。即使具有调谐微波室，微波烧结也可能需要极高的功率。但是，对于给定材料，可以在加热期间对谐振频率和（通过光圈孔）耦合到该微波腔室的阻抗进行实时自动调节以达到最大效率，从而显著减少所需功率和加热时间。

4.阳光/激光烧结/熔化/熔池实例

对于熔池处理较好的候选方法将包括太阳能聚光器技术。对于基于空间的就地资源利用（ISRU），太阳能是一种容易获得的热源。对能量密集材料处理，如表土或岩石的熔化和烧结，直接利用太阳能将是一种有效选择。然而，从现有太阳能聚光器系统中获得的太阳能对材料而言并不总是理想的热源，例如必须将待处理材料带到可获得集中太阳能的位置，而电能可被带到所需要的位置。因此，尽管电源系统整体效率低，但电源被认为是处理大多数材料加工的热源。
    利用NASA资金支持，物理科学公司（PSI,Physical Sciences Inc）开发了用于材料处理的光波导（OW, Optical Waveguide）太阳能发电系统。图3是近期为高温月球材料处理开发的光波导太阳能发电系统。该系统包括具有七个27寸抛物面聚光器的聚光器阵列，在每个聚光器的焦点上是由55个光纤（1.2mm直径）制成的光纤电缆，将集中的太阳能辐射传输到界面光学装置，用于加热材料。该系统被开发作为碳热氧气生产过程中的热源，其中月表土必须加热到1800℃。界面光学装置（石英棒）将高强度太阳能辐射注入碳热反应器。该系统已成功用于夏威夷莫纳克山（Mauna Kea，Hawaii）的NASA ISRU模拟试验，试验演示了熔化（左）和表面烧结（右）。

图3，演示通过太阳能聚光器将火山碎屑在1800℃熔化（左图）并在1100℃表面烧结（右图）

B.前沿发展：材料

六种材料被认为是自动增材建造系统的主要沉积介质，包括硫磺混凝土、硅酸盐水泥混凝土、索雷尔（sorel）水泥混凝土、塑料、玄武岩和金属。

1.硫磺混凝土

由于全世界硫过剩日益加大，硫自1970年代以来就已经被认为是波特兰水泥的替代粘结剂。硫混凝土因其对采矿业和天然气工业的硫副产品有实用用途而特别引人关注。
    阿波罗返回的样品分析已经证实月球硫的存在，在高钛月海玄武岩中月球硫的浓度较高。月球坑观测与遥感卫星（LCROSS）火山喷发物的观察显示，硫化合物H2S和SO2的浓度相对较高。
    通过分析陨石来推断小行星的组成，我们可以假设存在一些硫，球粒陨石和无球粒陨石都显示出硫的存在，主要以陨硫铁（FeS）的形式存在。吉普森等（1985）报告称，无球粒陨石的硫浓度中值在0.12%至0.60%的范围内，其中辉石类无球粒陨石的硫浓度最高。德雷布斯（Dreibus）等（1995）报告称，按重量计，碳质球粒陨石和普通球粒陨石的硫浓度都在0.45%至5.41%的范围内，其中CI碳质球粒陨石的浓度最高。

硫在月球和小行星上的资源潜力和存在使其成为就地增材建造研究具有吸引力的备选粘结剂。

2.波特兰水泥混凝土

在地面施工应用中，波特兰水泥是一种具有悠久历史并取得巨大成功的粘结剂。由于波特兰水泥混凝土需要10~20%（以重量计）的水，因而其在行星体和小行星体上的应用会出现大问题。真空条件、温度变化、波特兰水泥就地生产和生命保障、水的燃料需求都导致无法在地外星体上应用传统的湿拌混凝土。已经通过干混/注汽（DMSI, Dry Mix / Steam-Injection）方法来减轻这些问题。DMSI混凝土中水的重量百分数为5%左右（远低于传统湿拌混凝土的50%），但是其需要加压容器和蒸汽源。

3.索雷尔水泥混凝土

索雷尔水泥为固体氧化镁（MgO）和氯化镁（MgCl2）盐水的混合物。传统地面应用是需要快凝的混凝土修复。目前，美国陆军工程兵团（USACE）和美国国家航空航天局（NASA）马歇尔太空飞行中心正在将索雷尔混凝土应用于增材建造的研究。在地外星体上应用索雷尔水泥所面临的障碍与波特兰水泥所面临的障碍相同（MgCl2盐水为约65~70%（以重量计）的水）。另外，有迹象表明，暴露于X射线中能够极大地改变制品的材料性质。

4.塑料

塑料已在有限范围内用于针对混凝土形式的地面施工应用中，并主要用作废旧塑料解决方案）。在地外星体上，用于粘结材料的塑料回收利用可提供一个短期解决方案，用作骨料粘结剂。

5.玄武岩

玄武岩过去就在其出现的区域中被用作建筑材料（例如，罗马帝国），并被用作混凝土、玄武岩纤维钢筋和铸件的骨料，而且还被用于石工的骨料中。近年来，在增材建造应用的玄武岩烧结和熔融方面做了大量工作。据报道，铸玄武岩的抗压强度
在300MPa以上，硬度在8至9莫氏之间。

6.金属

采用金属的地面增材制造较为成熟，其工艺包括激光沉积（LD, Laser Deposition）、激光工程化净成形（LENS, Laser Engineered Net Shaping）、直接金属激光烧结（DMLS,Direct Metal LaserSintering）、超声波加性生产（UAM, UltrasonicAdditive Manufacturing）、选择性激光烧结（SLS, Selective Laser Sintering）、选择性激光熔融（SLM, Selective Laser Melting）、电子束自由成形（EBF, Electron Beam Freeform）、高速氧燃料喷涂（HVOF, High Velocity Oxy-Fuel spraying）等等。所有这些工艺中，特别注意的是生产了用于制造的金属原料初级形式。该材料形式为均匀粉末、金属丝和金属带，以最严格的质量控制形式进行生产，以确保部件是可预测且可重复的。同时，也在印刷过程中混合了部分金属，以形成功能梯度合金，这表明该工艺可用于多种材料中。在试图通过已开采、表土提取精炼的金属进行印刷时，必须考虑所需的基础设施。即便最简单的技术应用，仍必须将金属从就地表土中开采和提取出来，并且有可能不具备均一的尺寸或组成。采用这种金属的印刷固结工艺需要适应进料尺寸和组成方面的较大变化，这会使输送系统和熔融参数变得复杂。激光烧结或许是从表土回收的就地金属来增材制造获得硬件的第一种方法；其次是通过在坩埚中进行完全熔融的方式，最后是通过熔融金属挤出实现增材制造。更为先进的工艺需要生产均匀粉末或金属丝，需要非常先进的移动开采和提取技术。
C.前沿发展：材料提取
    将材料加工水平概括于月球（表3）、小行星（表4）和火星（表5）的表中。

表3：采用月球资源的材料加工

表4： 采用小行星资源的材料加工

表5： 利用火星资源的材料加工

在太空中增材建造最简单的材料是未加工的表土。提高表土流动特性的一个最简单步骤是筛并粉碎，以控制粒度分布。另一简单步骤是研磨、融化和再利用来自废弃航天器的材料。航天器在设计时可考虑到再循环以提高居住空间的经济性。除了这些简单步骤，可以开发许多工艺来制造具有所需工程性质且日益细化的材料。

表土可被称为熔融表土电解（Molten Regolith Electrolysis， MRE）的方法熔化和电解，该方法或称为熔融氧化物电解。这样以化学方式减少了矿物质（氧化物），以释放出氧气，并产生两个熔融材料流：一个为铁、铝、钛、硅和痕量金属组成的“混合合金”；另一个为未还原的氧化物炉渣。该混合合金的性质还没有测量，但预计与只是熔融或烧结表土相比，将显示出一定延展性，以及更高的拉伸强度。因此来自MRE的陶瓷渣可被打印，使用双材料打印机头自动嵌入的合金增强条。与精心设计的金属合金相比，虽然该合金在低月球重力或失重时预计具有较差性能，但它对于包括太阳能电池支承构件或居所支架在内的许多结构来说是足够的。开发MRE的最新进展包括对特定反应器设计的多物理模拟，该研究量化了物质吞吐率和能源需求，并表明MRE很适合空间建设项目。MRE目前为技术成熟度3级（TRL-3）。另一种存在于概念阶段（TRL-2）的方案是氟处理。这两种情况都需要一个后续阶段诸如真空蒸馏等来生产更高质量的金属和硅。

对于一种简单的加固材料，一种制造粗金属的替代方案是通过熔融玄武岩，并当冷却时从熔体中拉取小陶瓷杆，来制造玄武岩纤维。

从表土提取金属的另一种方法是使用离子液体，该方法能够对那些在月球、小行星或火星表土发现的氧化物进行低温溶解。由于硅不能有效地溶解于离子液体中，所以通过添加如磷酸等硅溶酸可能会促进表土的减少。四天的实验仅在120℃下溶解了达72％的模拟月球表土，其中，硅是在离子液体（IL， Ionic Liquid）溶液中比较少见的元素。未还原所有硅并不是问题，因为未还原的硅在空间站需要用来制造玻璃（或熔融石英）和光伏电池。金属在IL中被溶解为阳离子，同时产生水，可被电解以再生该离子液体，使氢离子返回溶液，作为自由金属沉淀析出。多个处理阶段可以被设计成通过加入各种盐来使金属分别析出，反过来各种盐都可以再生。经由IL生产混合金属的表土处理已被证实技术成熟度3级（TRL-3），而所有金属的分离仍是概念性的（但基于坚实的理论和配套实验），所以是TRL-2。一旦金属被分离，铸造可按所需比率重新混合它们来产生需要的铁、铝、和镁的合金。可将从其他资源获得的碳添加到铁中来生产钢。碳大量存在于月球冰中，存在于火星大气层，和碳粒陨星小行星的有机物中。

通过任何上述方法萃取的钙可以以CaO（生石灰）保持氧化状态。这就是历史上用于罗马混凝土的粘合剂，因此它可以与生玄武岩表土混合作为增材建造的骨料。另外，熟石灰可以通过水合生石灰形成，其可进一步与硅、金属氧化物和硫酸盐（如果有）加工形成各种水泥。

可以通过挖掘并蒸馏月球或火星冰，或通过对碳质小行星中的黏土进行热提取，获得制作和使用水泥的水分，也可从这三个地方获取碳。月球冰含有很大部分的一氧化碳和二氧化碳。可以通过对火星大气液化来收集二氧化碳。碳化合物可以通过简单加热或高温分解从碳质小行星中提取。碳可以与从水中获得的电解氢混合，然后流经催化剂以形成甲烷。然后可通过费托工艺将甲烷聚合以形成复合烃，包括塑料、橡胶或其它可作为表土打印用粘合剂的化合物。或者，不用将表土作为结构件也可在低重力下打印大规模塑料元件。

月球上的硫并不丰富，但可通过加热大量表土来获得硫。可从火星上硫酸盐的高浓度沉积物中或碳质小行星的硫酸盐中获得它。弗拉施法(Frasch process)就是过热水中溶解硫酸盐以获得元素硫，可将其熔化在表土中用作粘结剂。对于太空中可用的资源，基本上地球上使用的任何建造材料都可以经制作在太空中使用。缺点是更好的建材通常需要较高质量基础设施进行更复杂的加工，包括发电、采矿和加工设施。好的策略可能是太空定居早期使用最简单的建筑材料，随着航天工业的成长，发展到更复杂的材料及工艺。

三、利用就地资源进行自主增材建造的愿景

该愿景矩阵（表6）给出了利用就地资源增材建造和需要同时使用的辅助技术的发展规划。在十年内，预期增材建造技术及就地材料加工会随着太空制造技术在地球上变得成熟。这些能力应该能在极端环境中展示出反映月球或火星上预期的状况，但是还不理想。表土将在现场被处理并分离出来，使用烧结和熔化技术构建低精度结构，例如着陆垫、防爆墙及庇护所。制造技术将包括整个机器人，涵盖致动器、传感器、控制器及机构。在这期间，机器人任务应通过勘测及特征描述来扩展对资源所在地的了解。人类的任务是返回地月空间，探访月球和捕获的小行星。那时，航天器将可能仍然受制于地球上制造的能源，但应展示不稳定的收集。

表6： 未来自动增材建造的愿景矩阵

在二十五年内，大量表土建造应用于维持人类在月球及火星上的前哨站。地球上开发的技术应能实现着陆垫、护道及居所周围辐射防护的自主建造。到那时应在太空中对表土分离技术进行测试，为更高级的结构铺路。可以从行星表面及小行星上就地收集挥发物，并将其分离成它们的组成气体。进入火星循环轨道中的小行星可以挖成空洞并处理作全体乘员旅行的防护舰船。用于太阳能集中器的支撑结构可在现场建造，但用于能源的更复杂部件仍需要在地球上进行组装。

在五十年时，资源利用水平应达到自主加工表土可以分离成建造所需的化合物或合金。通过持续性工艺开发并提高计算能力，将能实现该飞跃。发展材料加工将支持工厂能够进行部分自我复制，不仅能建造居所及更精细的结构，还能生产他们各自施工及自组装所需的部件。这将能实现月球及火星上的长期居住，这样就需要一个自负盈亏的星球工业。通过能源生产可以实现经济独立，太阳能集中器和光伏器件需要就地制造，而且那时应该至少实现有限的燃料生产。

在未来一百年，可以预见增材建造将会是成熟、可持续的行业。自我复制，完全自主的工厂建造和维护将独立于地球资源的人类社区。小行星可开拓成移居地，同时月球城市及火星城市可能封闭在大规模生命支持系统中。应使用地球外资源来创造能源并存储，资源加工能实现可持续的、独立的燃料生产。

四、总结

2015年8月曾在加利福尼亚帕萨迪纳的凯克太空研究所（W.M. Keck Institute for Space Studies in Pasadena，California）召开一个研讨会，许多顶尖行业人员讨论、决策并定义了这一新的技术领域：利用就地资源进行太空三维增材建造。本文即是由许多领域内的当前活跃专家定义自动增材建造，包括最先进的工艺、材料和材料提取，描述了未来愿景、知识差距，以及未来投资的可能性，给出了技术演示，包括地面和ISS演示，以及零重力和部分重力环境的应用。为了设计任务概念和时间线，各种方法的性能参数在表2中列出。

文献来源：Robert P. Mueller, Scott Howe, Dennis Kochmann, et al., Automated Additive Construction (AAC) for Earth and Space Using In-situ Resources[C], In: Proceedings of the Fifteenth Biennial ASCE Aerospace Division International Conference on Engineering, Science, Construction, and Operations in Challenging Environments (Earth & Space 2016), American Society of Civil Engineers, Reston, Virginia, USA, 2016.