目前，若想將大型航天器送入軌道，通常的做法是在陸地上實施設計并建造，集成后的航天器尺寸需滿足火箭整流罩的限制，此類制造模式十分耗時且價格昂貴。而航天器部件的在軌制造可使航天器擺脫發射時火箭整流罩的體積限制，并可以創建具有極大孔徑和極長基線的系統，有利于提供更高分辨率、更高帶寬和更高信噪比的數據。美國國家航空航天局(NASA)的資助的“蜘蛛制造”項目正是由此構想發展而來。
“蜘蛛制造”(SpiderFab)是在NASA的資助下，美國系繩無限公司(TUI)研發的一種太空制造系統。該項目旨在利用“蜘蛛機器人”以及類似蜘蛛織網的方式在軌建造大型航天器部件，從根本上改變航天器建造與部署的方式。
SpiderFab項目首先需發射具有在軌制造能力的“衛星繭”(Satellite Chrysalis)入軌，“衛星繭”內包含增材制造的原材料、桁架結構及程序指令等，入軌后可通過在軌制造與自主裝配技術建造出大型空間系統。
在該項目中，客戶可根據自身需求設計衛星，并利用3D打印技術組建系統結構，用增材制造與自動化組裝技術制造天線、光學儀器等衛星子系統組件，同時進行衛星的在軌集成裝配。最后，根據任務需要在低地球軌道上部署組裝衛星。
對于“越大越好”的系統而言，如太陽能電池陣列和望遠鏡部件等，“蜘蛛制造”可使其獲得數量級的性能改進。
當前技術制造的航天器與SpiderFab制造的航天器大小對比
項目關鍵技術
用于在軌航天器部件制造的SpiderFab項目有以下幾個關鍵技術：材料選擇與加工技術、工具和材料的移動與操作技術、結構的組裝和連接技術、熱控技術、度量技術、功能元件軌道集成技術。
在軌制造衛星需能夠將處于緊湊狀態的原材料加工成高性能的多功能結構。可選擇的加工方法包括熔融長絲制造(FFF)、選擇性激光燒結(SLS)、電子束自由形式制造(EBF3)等增材制造工藝。這些工藝可實現顆粒、粉末或長絲帶形式的原材料熔化并重新成型，逐層構建復雜的3D幾何形狀。
使用FFF工藝的制造樣品
太空環境中，在軌增材制造既有挑戰也存在優勢。
首先是太空中的微重力環境。大多數地面增材制造工藝依靠重力來促進每層材料的定位和粘合，而在微重力環境下，將無法依靠重力完成。然而，缺乏重力可使結構在任意方向上建立，不必擔心由于重力而產生扭曲。在地面上的3D打印過程中，重力會導致沒有支撐的元件下滑，因此需要懸空的結構或大空隙的結構必須由額外的材料支撐，這些材料在打印后將被移除。在太空中，則無需支撐材料，3D打印機可像蜘蛛織網一樣繪制一個稀疏的結構。在實驗室曾進行使用ABS和PEEK熱塑性塑料制造稀疏結構的實驗。實驗過程顯示，由于重力作用，限制了元件的自由長度，大約為一厘米，但在零重力環境下，元件的長度只受制于制造工具的范圍。
第二個技術挑戰是真空和熱環境。在真空中對FFF工藝的初步測試表明，真空環境中缺乏傳導和對流冷卻是一個不小的阻礙，該狀態下需仔細設計任何涉及材料熱加工的工藝，以使結構以理想的方式冷卻與固化。此外，太空中太陽角度與日照/日蝕等條件的不同會產生很大的溫度變化，如何有效的控制溫度變化，以防不當應力使正在建造的結構發生變形，這項工藝也是十分必要的。
工具和材料的移動與操作技術
在制造大型結構時，機器人需要相對于正在構造的結構機動，并將原材料移動至指定區域。此外，機器人還需要能夠操縱結構元件并準確定向定位。為此，該技術需要配備高度靈巧的機械臂。
結構的組裝和連接技術
在機器人創建完成結構元件后，還需將其正確熔接至航天器結構上。這種熔接操作可使用焊接、機械緊固件、粘合劑等方法完成。SpiderFab側重于使用纖維增強的熱塑性塑料，利用熱塑性塑料的特性，通過熱和壓力來完成熔接。
熱控技術
制造精確的結構元件，管理元件中的結構應力，以及在元件之間可靠地形成熔接需要管理空間環境中的材料溫度，其中平均溫度和溫度梯度矢量都可能由于太陽方向和軌道位置而發生顯著變化。SpiderFab計劃在纖維增強熱塑性塑料中使用添加劑或涂層對材料進行冷卻，使其在不同日照條件下實現熱波動最小化，并使用接觸、輻射和/或微波加熱來形成和粘合這些材料。
度量技術
用于制造大型部件的自動化或遠程機器人系統需擁有精確的測量能力。這種計量能力有兩種：宏觀計量，以測量元件的整體形狀，以確保其滿足系統要求;微觀計量，以實現材料進給頭的準確定位。目前在地面制造過程中使用的技術包括結構光掃描和立體成像兩種。
功能元件軌道集成技術
在SpiderFab系統完成一個基礎結構創建后，還需要將功能元件，如反射膜、天線板、太陽能電池、傳感器、布線和有效載荷包等進行集成。元件性質決定了需使用的集成技術。反射膜和太陽能電池可用熱粘合或機械緊固件集成;傳感器、有效載荷和航空電子設備箱可使用機械緊固件進行集成;線路可使用快速連接插頭連接到有效載荷元件上。
項目核心部件
桁架制造器
在SpiderFab在軌制造的候選應用中，大型太陽能電池陣列可能是最直接和近期的應用。而制造大型構件通常需要使用特制的夾具和定位機構，以便盡可能精確地對它們進行支撐與定位。SpiderFab研發組提供了一種名為Trusselator的桁架制造器。該桁架結構將采用CF/PEEK材料，此類材料具有優異的耐候性、耐水解性、耐腐蝕性等特征。
制造大型太陽能電池陣列的結構概念圖
集成機器人
SpiderFab的核心是一個多臂機器人，名為SpiderFab Bot，該機器人在太空部署，致力于建造空間結構組件，從一個“噴絲器”發射出碳纖維條并進行熔接，其沿著桁架網絡爬動，最終對已制造出的組件進行集成。
SpiderFab Bot機器人示意圖
項目意義
通過SpiderFab項目，可無需考慮衛星在發射過程中尺寸超規格以及超重的問題，節省地面制造成本的同時還可以避免火箭發射時的震動和加速度對衛星結構而產生的影響，從而為太空任務提供更高分辨率、更高靈敏度、更高性能的服務，如此顛覆性的制造方式將有助于人類對太空進行更深入的探索。
[1] Hoyt R P. SpiderFab: An architecture for self-fabricating space systems[C]//AIAA Space 2013 Conference and Exposition.2013.[2] Robert Hoyt,JesseCushing,Jeffrey Slostad.SpiderFab?:Process for On-Orbit Construction of Kilometer--‐ScaleApertures.2013.[3] Hoyt R P, Cushing J, Slostad J, et al. Trusselator: On-orbit fabrication of high-performance composite truss structures[C]//AIAA SPACE 2014 Conference and Exposition. 2014.