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2008 年 11 月国际空间站 (ISS) 维护任务期间，臭名昭著的NASA 太空工具包在太空丢失，导致宇航员少了一把润滑脂枪，并且无法更换丢失的工具。 几年后，宇航员可能只需3D 打印新的工具，即可补充丢失或损坏的仪器。
NASA 将于明年六月初测试在受限的微重力环境中进行 3D 打印的可行性，届时它将向国际空间站发送一台微波炉大小的打印机，进行一系列实验，生产塑料和复合材料零件及工具。 如果一切顺利，该航天机构计划在 2015 年在国际空间站安装一台永久性打印机。
在短期内，这样一台机器将使国际空间站宇航员能够复制各种零碎物件——例如，用于固定货物的塑料夹子——而无需等待下一次补给任务。 在更远的将来，该航天机构设想有一天，从小行星开采的原材料可以被运送到航天器或轨道实验室，并用作 3D 打印的原料。 远离地球的补给能力将使这样的飞行器能够执行更长的深空任务，前提是解决无数其他难题——燃料、食物和辐射暴露等等。
测试运行
首先：宇航员将在国际空间站的微重力科学手套箱中安装测试性 3D 打印机——由一家名为 Made in Space 的公司制造——这是一个封闭的 255 升工作空间，位于欧洲航天局的哥伦布实验舱内。 欧空局开发这个工作空间是为了让来自不同学科的地面科学家在空间站宇航员通过实时数据链接和视频的协助下，在太空进行实验。 该工作空间是密封的，并保持负压，使宇航员能够操作实验硬件和样品，而不会有小零件、微粒、液体或气体逸出到开放式实验舱的危险。
Made in Space 的打印机通过首先加热热塑性长丝，然后使用挤出头根据计算机辅助设计 (CAD) 文件指定的蓝图沉积软化材料来构建物体。 这种打印技术——通常被发明家用于快速制作设计原型——从下往上创建物品，以薄至 0.04 毫米的层沉积材料。
3D 打印机通常被设计为利用重力和表面张力来帮助形成层，而不会产生气泡或其他削弱成品的不完美之处。 “在微重力环境下，3D 打印机的所有组件都开始漂浮，即使只有几分之一毫米的漂浮也可能对打印不利，”Made in Space 首席技术官 Jason Dunn 说。 出于竞争原因，Dunn 没有详细说明，但他表示他的公司已经开发出“第一台基本上与重力无关的 3D 打印机”。
缺乏重力也意味着国际空间站大气层没有自然对流。 这给热管理带来了问题，而热管理是 3D 打印过程的核心。 Dunn 补充说：“与地面 3D 打印机中使用的热管理方法相比，保持热物体的热度和冷物体的冷度需要新的热管理方法。”
原型打印机已通过多项振动和压力测试，以确定它是否能够在发射中幸存下来并在微重力环境下运行。 抛物线测试飞行提供了 20 至 30 秒的失重间隔来测试打印机，并产生了一组有限的性能数据，NASA 希望在明年国际空间站安装期间完善这些数据。 Made in Space 将在下个月的美国航空航天学会 2013 年太空会议上展示其早期测试飞行的研究成果。
在国际空间站测试期间，Made in Space 打印机将构建各种物体，包括空间站上使用的工具和零件的模型。 “该项目的主要目标不仅是确定打印机在长时间暴露于微重力环境下的反应，还要确定材料在该环境中构建时是否会发生变化，”Made in Space 的创始合伙人兼公司首席工程师和研发主管 Mike Snyder 说。
空间站功率限制
基于挤出的 3D 打印机通常会产生约 200 摄氏度的温度来软化其热聚合物长丝。 橡树岭国家实验室测量科学和系统工程部门的高级研究科学家 Lonnie Love 说，这并不是很大的功率消耗，但打印机可能需要额外的能量来保持其构建腔室的加热状态——这有助于防止物体在底层在新沉积层下干燥时发生变形或卷曲。 如果构建腔室未加热，另一种选择是使用加热的构建平台（如电热板）来防止下层冷却过快。 Love 对 3D 打印非常了解——他是橡树岭开发 3D 打印机器人假肢手项目的首席开发人员。
更高级的塑料 3D 打印机需要大量的热量——通常由耗电的激光器提供——来液化进料聚合物并构建更致密、更耐用的塑料物体。 基于挤出的系统通过软化聚合物使其更像牙膏一样流过打印头来制造质量较低的塑料制品。 德克萨斯大学奥斯汀分校机械工程教授兼增材制造技术（如 3D 打印）的先驱 Joseph Beaman 说，在国际空间站上安装激光器可能是不切实际的，因为功耗将是一个问题。 “尽管 3D 打印机在不浪费材料方面非常高效，但它们在能源效率方面并不是很高，”他补充道。
虽然 Snyder 表示他无法详细说明他公司打印机的功率要求，但他指出，在国际空间站手套箱中运行的设备功率限制在 200 瓦左右。 他补充说，Made in Space 机器“名义上”在该要求范围内运行。
Love 说，鉴于国际空间站的尺寸和功率限制，NASA 对 3D 打印的兴趣非常有道理，而 Made in Space 基于挤出的方法似乎是合理的。
后续步骤
Beaman 说，将天基 3D 打印提升到更工业化的水平，使国际空间站宇航员能够更换更坚固、更精密的零件，这超出了当前实验的范围。 可以用钛和其他金属粉末制造物品的 3D 打印机非常适合修理或更换空间站上更关键的组件，但对于微重力环境来说，这甚至更具挑战性。 “您不希望这些粉末到处飞扬，尽管也许您可以使用静电系统将非导电粉末固定在构建腔室中，”他补充道。
Beaman 说：“抛开挑战不谈，我认为[在国际空间站上进行 3D 打印]实际上是可行的。” “问题是它会有多有用，但肯定值得尝试。”
Love 表示同意，特别是当宇航员超越空间站时：“与其将所有需要的材料运送到特定地点，不如只发送一台打印机，然后使用当地可用的材料制造您需要的东西，”他说。 “这听起来似乎遥不可及，但从技术上讲是可行的。”