國外3 D打印技術在航天領域的應用分析

賈平　李輝　孫棕檀（中國航天系統科學與工程研究院）

國外3 D打印技術在航天領域的應用分析

賈平李輝孫棕檀（中國航天系統科學與工程研究院）

2014年12月17日，美國商業公司研制的全球首臺微重力3D打印機在“國際空間站”依照美國航空航天局從地面發送的設計文件打印出套筒扳手。3D打印機未來有望用于制造“國際空間站”30%以上的備用部件。

近年，美、歐、日等國家或組織積極開展了3D打印技術（又稱增材制造技術）在航天領域的研究與應用。盡管目前在太空中進行3D打印尚處于試驗驗證階段，但已規劃與實施的諸多在地面上進行增材制造的項目表明：3D打印技術已在衛星與火箭等航天制造領域顯示出重要的發展價值和應用潛力。調查顯示，其在航空航天工業領域的應用份額已占全部應用領域的10%以上。

1　在國外航天領域的應用現狀及趨勢

應用現狀

目前，3 D打印技術在衛星領域尚處于簡單機電系統的建造和評估階段。其主要成果包括：采用3 D打印技術制造的2 U立方體衛星—“快速成型微機電推進和輻射試驗”（RAMPART）的平臺模塊，實現了將標準的與定制的太陽電池板、布線和測壓元件的插板模塊混合制造；第一個采用3D打印技術、具有完備功能的航天發動機微型推進系統AMPS-H，完成了將結構和燃料混合制造為一體的部件；美國高校在2013年底首次采用3D打印技術進行立方體衛星簡單電子設備的制造；美國噴氣推進實驗室與紅眼公司合作，于2014年11月打印出氣象、電離層和氣候星座觀測系統-2（COSMIC-2）衛星的功能天線陣結構。

3D打印的火箭發動機噴嘴

3D打印的火箭發動機噴嘴正在進行點火試驗

3D打印的MPS-120立方星推進系統

3 D打印技術已用于推進系統精密零部件的制造。美國航空噴氣-洛克達因公司與美國格倫研究中心及馬歇爾航天飛行中心，近兩年已針對通過3D打印技術生產的火箭發動機噴嘴在3316℃高溫下進行了一系列點火試驗。在此基礎上，航空噴氣-洛克達因公司已分別于2014年6月和12月對采用3D打印技術生產的Baby Bantam火箭發動機和MPS-120立方星高比沖自適應模塊化推進系統進行了點火試驗。較精密的發動機噴嘴的點火試驗成功標志著3D打印技術在航天領域的應用由研發階段向工程化應用邁進了一步。

應用趨勢

（1）進一步開展大尺寸和金屬航天零部件的制造

大尺寸航天零部件的3D打印技術因受限于打印設備體積等因素的限制而處于應用起步階段。美國洛馬公司與紅眼公司已利用3D打印技術造出2個衛星的大型燃料貯箱模擬器；航空噴氣-洛克達因公司也已在2014年8月被美國空軍基地授予了液體火箭發動機大尺寸零部件的3D打印合同，標志著使用該技術或可造出更多種大尺寸航天器零部件。日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）宣布擬在2015年為一枚大型試驗火箭（將于2020年發射）研發出制造高級金屬零部件的3D打印機。

（2）太空中的應用進入在軌試驗階段

在太空平臺上應用3D打印技術具有諸多獨特優勢，例如可就地取材，節約運輸成本。美國華盛頓州立大學已成功利用激光將仿月球巖石材料熔化，用于制造小型科研衛星零部件；美國航空航天局已于2014年9月將首臺零重力3D打印機送到“國際空間站”，打印出首個物體（該3D打印機的面板）；歐洲航天局和歐盟也設立了邁向零廢棄物和高科技金屬產品的高效生產的增材制造（AMAZE）項目，旨在將第一臺3 D金屬打印機運至“國際空間站”；歐洲航天局亦擬于2015年將歐洲第一臺非金屬3D打印機安裝到“國際空間站”。

利用“蜘蛛制造”技術進行千米級孔徑的在軌建造

可自我復制的月球工廠概念圖

2　 在航天領域應用的優勢與潛在價值

3D打印技術的優勢

（1）降低成本，縮短周期

采用3D打印技術可以大幅降低航天零部件的研制成本、縮短研制周期。美國采用3D打印技術打印了多個“航天發射系統”（SLS）重型火箭發動機的零部件：用3D打印技術制造RS-25發動機的彈簧Z隔板僅需9天；制造排氣孔蓋的成本比傳統方法降低65%；制造噴嘴用時不到4個月，成本可降低70%，而用傳統工藝制造噴嘴需要1年多。

（2）提高零部件性能，提升設計空間

采用3D打印技術可以實現零部件的整體制造，無需焊接、鉚接等組裝工藝，減少零部件數量，從而提高零部件的結構強度、完整性和可靠性等性能，洛馬公司正努力采用3D打印技術將A2100衛星平臺現有10%的3D打印零件比例增至2017年的50%；同時也有利于設計出更復雜、采用傳統工藝無法制造的航天器零部件。

在太空中應用的潛在價值

（1）在軌航天器的維修和零部件替換及實現航天器自我復制

通過“國際空間站”等太空平臺進行3D打印，將其與美國航空航天局的“鳳凰計劃”結合，可根據需要直接在太空中制造出需要替換的老化和損壞的航天器零部件，無需再通過火箭發射到太空；采用3D打印輔助“蜘蛛制造”（SpiderFab），有助于實現航天器的自我復制。

（2）在太空中循環再利用打印材料

如果太空中的3D打印技術能將太空中的材料回收再利用，則可能有助于緩解目前的物流和操作問題，減少太空垃圾。

（3）在地外星體表面建造基地和設備

如果能用地外星體上的材料建造3D打印基地和所需設備，實現3D打印設備在外太空的自我復制，可為月球基地或其他星球基地的建設提供幫助。

（4）建造難以在地球上制造或難以從地球上運輸的結構

通過在軌建造不便在地球制造或運輸的大型結構系統，能降低結構對拉伸強度的要求，不需考慮火箭發射振動和加速度對結構的影響，還可避免衛星質量超出標準，解決火箭整流罩容積對有效載荷的限制問題。

3　面臨的挑戰與應對措施

制造精度有待提高，大規模生產效率不高

采用不同3D打印技術工藝和設備最終會造出不同精度級別的零部件。光束或加工的方向會導致零部件中產生熱應力，影響零部件的制造精度。光束與粒子的分辨率也會對熱傳導和熱應力產生影響，從而影響零部件的集成。

目前的3D打印技術還不適于大規模生產，部分原因是每種設備只配有定制的單一工藝和幾種限定材料，工業級3D打印設備價格較貴；又沒有統一的規范進行標準化約束,加上制造精度的不足，將影響產品的可復制性。

為解決這些問題，3D打印的設備性能與工藝性能都需要提升。例如，研發閉合回路工藝控制系統來檢測和反饋設備系統的多種參數；要想提高生產效率，需要開發出集多種材料、多種工藝于一身，集增材與減材工藝于一體的設備；研發出更多適合3D打印的材料；制定和采用健全的材料工藝標準和產品檢驗標準，有助于提高產品的可復制性，美國材料與試驗協會（ASTM）和ISO技術委員會聯合發布的標準已被多數國家接受。

設計易被竊取

聯網的3D打印機易受黑客攻擊，有關的設計可能被竊取或篡改，而且3D打印技術特性也使原始零部件易被掃描復制。為防止航天零部件設計被竊取，3D打印技術需與賽博防御技術協同發展，同時知識產權也需相關政策法律的保護。

傳統材料的局限等因素導致無法制造整機

傳統材料的性能限制了3D打印的應用范圍，有礙電子元器件的制造,從而限制了航天器高性能零部件的制造。美國已通過微型3D打印技術開發了一種超輕、超高剛度金屬晶格材料，并將與以色列合作為增材制造研發石墨烯增強型材料，它有可能改變電子元器件的制造方式。美國空軍研究實驗室（AFRL）開展的“即插即用衛星平臺”（Pn PSat平臺）項目，致力于實現電氣線束和分布網絡與航天飛行器結構的集成。洛馬、諾格等公司和一些大學也在研究打印帶有電子導體的結構，以便將機電子系統集成到組件中。

電子元器件的制造技術與新材料研發是未來需重點突破的方向之一。將電氣線束與結構集成的技術是超越單純結構制造的重要進步，這項技術在研發成熟后將是增材制造飛行器整機和其子系統的重要突破。

在太空平臺上應用面臨復雜太空環境的挑戰

美國已著手在太空平臺上進行3D打印的評估和試驗，但是將面臨微重力、真空環境、熱環境、基礎設施建設、穩定的制造平臺，還有電力系統等一系列的挑戰。除了設備必須體積小、質量輕，可在太空環境下正常工作外，采用的工藝和材料也必須克服太空環境的復雜性。

在太空中或其他適用性未知的領域中應用3D打印前，有必要進行包括基礎設施費用和創造新功能價值在內的效費比分析和風險評估，以及規劃發展路線。

4　結束語

3 D打印技術在航天領域被廣泛應用的現狀表明：在地面上采用3D打印技術進行某些航天零部件的制造可降低成本、縮短周期，有助于設計研發具有新功能、新結構的零部件，提高結構可靠性，還可帶動相關產業鏈的發展。

然而，3 D打印技術在太空中應用還需謹慎論證。尤其要處理好與傳統制造技術的關系，既要避免對傳統制造業造成負面沖擊，也要抓住可能變革制造工業的契機；以實現大型復雜結構、電子元器件的制造，以及大規模生產為未來發展方向，或可為航天工業乃至制造工業帶來巨大變革。

我國要在3D打印技術蓬勃發展的浪潮中，緊跟發展潮流，進行前瞻性謀劃和部署，贏得航天裝備競爭乃至整個工業技術革命的主動權。

Space Application of 3D Printing in Foreign Countries