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2008 年 11 月國際空間站 (ISS) 維護任務期間，臭名昭著的NASA 太空工具包在太空丟失，導致宇航員少了一把潤滑脂槍，並且無法更換丟失的工具。 幾年後，宇航員可能只需3D 列印新的工具，即可補充丟失或損壞的儀器。
NASA 將於明年六月初測試在受限的微重力環境中進行 3D 列印的可行性，屆時它將向國際空間站傳送一臺微波爐大小的印表機，進行一系列實驗，生產塑膠和複合材料零件及工具。 如果一切順利，該航天機構計劃在 2015 年在國際空間站安裝一臺永久性印表機。
在短期內，這樣一臺機器將使國際空間站宇航員能夠複製各種零碎物件——例如，用於固定貨物的塑膠夾子——而無需等待下一次補給任務。 在更遠的將來，該航天機構設想有一天，從小行星開採的原材料可以被運送到航天器或軌道實驗室，並用作 3D 列印的原料。 遠離地球的補給能力將使這樣的飛行器能夠執行更長的深空任務，前提是解決無數其他難題——燃料、食物和輻射暴露等等。
測試執行
首先：宇航員將在國際空間站的微重力科學手套箱中安裝測試性 3D 印表機——由一家名為 Made in Space 的公司製造——這是一個封閉的 255 升工作空間，位於歐洲航天局的哥倫布實驗艙內。 歐空局開發這個工作空間是為了讓來自不同學科的地面科學家在空間站宇航員透過即時資料鏈接和影片的協助下，在太空進行實驗。 該工作空間是密封的，並保持負壓，使宇航員能夠操作實驗硬體和樣品，而不會有小零件、微粒、液體或氣體逸出到開放式實驗艙的危險。
Made in Space 的印表機透過首先加熱熱塑性長絲，然後使用擠出頭根據計算機輔助設計 (CAD) 檔案指定的藍圖沉積軟化材料來構建物體。 這種列印技術——通常被髮明家用於快速製作設計原型——從下往上建立物品，以薄至 0.04 毫米的層沉積材料。
3D 印表機通常被設計為利用重力和表面張力來幫助形成層，而不會產生氣泡或其他削弱成品的不完美之處。 “在微重力環境下，3D 印表機的所有元件都開始漂浮，即使只有幾分之一毫米的漂浮也可能對列印不利，”Made in Space 首席技術官 Jason Dunn 說。 出於競爭原因，Dunn 沒有詳細說明，但他表示他的公司已經開發出“第一臺基本上與重力無關的 3D 印表機”。
缺乏重力也意味著國際空間站大氣層沒有自然對流。 這給熱管理帶來了問題，而熱管理是 3D 列印過程的核心。 Dunn 補充說：“與地面 3D 印表機中使用的熱管理方法相比，保持熱物體的熱度和冷物體的冷度需要新的熱管理方法。”
原型印表機已透過多項振動和壓力測試，以確定它是否能夠在發射中倖存下來並在微重力環境下執行。 拋物線測試飛行提供了 20 至 30 秒的失重間隔來測試印表機，併產生了一組有限的效能資料，NASA 希望在明年國際空間站安裝期間完善這些資料。 Made in Space 將在下個月的美國航空航天學會 2013 年太空會議上展示其早期測試飛行的研究成果。
在國際空間站測試期間，Made in Space 印表機將構建各種物體，包括空間站上使用的工具和零件的模型。 “該專案的主要目標不僅是確定印表機在長時間暴露於微重力環境下的反應，還要確定材料在該環境中構建時是否會發生變化，”Made in Space 的創始合夥人兼公司首席工程師和研發主管 Mike Snyder 說。
空間站功率限制
基於擠出的 3D 印表機通常會產生約 200 攝氏度的溫度來軟化其熱聚合物長絲。 橡樹嶺國家實驗室測量科學和系統工程部門的高階研究科學家 Lonnie Love 說，這並不是很大的功率消耗，但印表機可能需要額外的能量來保持其構建腔室的加熱狀態——這有助於防止物體在底層在新沉積層下乾燥時發生變形或捲曲。 如果構建腔室未加熱，另一種選擇是使用加熱的構建平臺（如電熱板）來防止下層冷卻過快。 Love 對 3D 列印非常瞭解——他是橡樹嶺開發 3D 印表機器人假肢手專案的首席開發人員。
更高階的塑膠 3D 印表機需要大量的熱量——通常由耗電的雷射器提供——來液化進料聚合物並構建更緻密、更耐用的塑膠物體。 基於擠出的系統透過軟化聚合物使其更像牙膏一樣流過列印頭來製造質量較低的塑膠製品。 德克薩斯大學奧斯汀分校機械工程教授兼增材製造技術（如 3D 列印）的先驅 Joseph Beaman 說，在國際空間站上安裝雷射器可能是不切實際的，因為功耗將是一個問題。 “儘管 3D 印表機在不浪費材料方面非常高效，但它們在能源效率方面並不是很高，”他補充道。
雖然 Snyder 表示他無法詳細說明他公司印表機的功率要求，但他指出，在國際空間站手套箱中執行的裝置功率限制在 200 瓦左右。 他補充說，Made in Space 機器“名義上”在該要求範圍內執行。
Love 說，鑑於國際空間站的尺寸和功率限制，NASA 對 3D 列印的興趣非常有道理，而 Made in Space 基於擠出的方法似乎是合理的。
後續步驟
Beaman 說，將天基 3D 列印提升到更工業化的水平，使國際空間站宇航員能夠更換更堅固、更精密的零件，這超出了當前實驗的範圍。 可以用鈦和其他金屬粉末製造物品的 3D 印表機非常適合修理或更換空間站上更關鍵的元件，但對於微重力環境來說，這甚至更具挑戰性。 “您不希望這些粉末到處飛揚，儘管也許您可以使用靜電系統將非導電粉末固定在構建腔室中，”他補充道。
Beaman 說：“拋開挑戰不談，我認為[在國際空間站上進行 3D 列印]實際上是可行的。” “問題是它會有多有用，但肯定值得嘗試。”
Love 表示同意，特別是當宇航員超越空間站時：“與其將所有需要的材料運送到特定地點，不如只發送一臺印表機，然後使用當地可用的材料製造您需要的東西，”他說。 “這聽起來似乎遙不可及，但從技術上講是可行的。”