3D打印技術在空間飛行器研制中的應用研究

劉 飛 王 煒 李金岳 廖 波 徐耀云

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3D打印技術在空間飛行器研制中的應用研究

劉 飛 王 煒 李金岳 廖 波 徐耀云

（上海衛星工程研究所，上海 201109）

簡要介紹了3D打印技術概念，詳細描述了3D打印材料、裝備及其在航空航天領域的主要應用現狀，通過與傳統制造方法相比較，分析歸納出3D打印技術制造優勢。重點針對蜂窩板、桁架、大型天線等空間飛行器復雜部組件和應用設施制造提出了利用3D打印一體成型制造和在軌制造的方法及工藝流程，并結合空間飛行器裝備制造現狀和3D打印技術能力，得出近期開展星上復雜、難加工零部件的3D打印研究，中、遠期主要瞄準載人空間站的在軌維護、深空探索等研究的結論。

3D打印；蜂窩板；桁架；大型天線；一體成型；在軌制造；在軌維護

1 引言

3D打印技術是一種基于快速成型（Rapid Prototyping，RP）技術理念的新型制造技術，麥肯錫咨詢公司、美國《國防雜志》等機構均將3D打印視為未來最具顛覆性技術之一[1]，《中國制造2025》將其列入重點領域技術路線圖。在航空航天制造方面，3D打印技術已經被應用在復雜零部件制造到整機制造的各個方面，大幅縮短了飛行器制造周期，減少機械加工量，是航空航天領域中的關鍵技術之一[2]。

3D打印的物體通過連續的物理層創建，如同斷層掃描的逆過程。斷層掃描是把物體“切割”成無數分散的切片，就像對物體做“微分”；而3D打印的整個制造過程可看做一個“積分”過程，將基本原材料組合，打印出每一層后再做疊加，使其成為一個立體零件[3]。3D打印技術具有快速成型和自由制造的基本特征，3D打印設備可廣泛應用于新產品開發、小批量高質量產品制造、科學試驗研究等領域。能夠在一臺設備上可以制造出任意形狀的零部件，實現了自由制造；解決了復雜結構零部件的成型，結構越復雜，其快速成型的速度作用越明顯，生產周期短；適合加工難度大、性能要求高、價值昂貴以及現有傳統制造方法無法加工的產品等主要特點。

3D打印技術與傳統制造方法相比各有優劣，尤其在成本、周期和工藝上存在明顯差異，如表1所示。

表1 3D打印與傳統制造方法的比較

從技術優勢上看，3D打印是增材制造，材料利用率高，工藝過程簡單，尤其適用于結構復雜產品，制造速度快，生產周期短。

2 3D打印技術研究現狀

國內外研究機構在3D打印技術上對材料、成型工藝、計算機軟件等方面進行了深入研究，并不斷拓展3D打印的應用范圍。

2.1 3D打印材料發展現狀

塑料材料：1988年世界上第一臺商用型3D打印機SLA 250，采用樹脂塑料作為原材料。高分子塑料熔融溫度低，成型工藝簡單，適合立體光刻（SLA）、熔融堆積（FDM）、分層實體制造（LOM）、選擇性激光燒結（SLS）等多種3D打印工藝，已成為當前低端市場上3D打印機的主要成型原材料。塑料產品由于材料性能限制，不能適應嚴苛力學環境條件，金屬材料填補了其應用空白。但金屬材料與塑料相比熔融溫度高，對成型工藝要求高。

金屬材料：20世紀90年代，國內外開始研究將金屬材料作為3D打印設備的原材料，開發了多種用于金屬原材料的3D打印工藝[4]，如：激光燒結成型（SLS）、電子束熔融（EBM）、激光直接成型（LENS）。美國桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratories）發展的激光直接成型（LENS）3D打印技術，可制造不銹鋼、高溫合金、鈦合金等金屬零部件產品，其性能達到或超過了普通工藝制造的同類零部件。目前用于金屬3D打印的粉末制備技術主要以霧化法為主[5]。3D打印金屬粉末指尺寸小于1mm的金屬顆粒群，包括單一金屬粉末、合金粉末以及具有金屬性質的某些難熔化合物粉末。目前，3D打印金屬粉末材料包括鈷鉻合金、不銹鋼、工業鋼、青銅合金、鈦合金和鎳鋁合金、鋁合金等。

復合材料：復合材料零部件要求多種原材料混合打印，對3D打印設備的要求更高。美國Aero Met公司采用LasForm激光直接成型技術不僅制造出了合金材料的功能部件，而且可以制備功能梯度材料和復合材料零部件。

2.2 3D打印應用現狀

歐美的3D打印裝備發展較早、較成熟。2012年ExOne公司推出了工業級3D打印機S-Max，其最大打印尺寸為1800mm×1000mm×700mm，可用的打印材料包括鑄鐵、鋼、銅、鎢等金屬粉末材料，打印精度0.28～0.5mm，打印速度59400～165000cm3/h，可加工大型機械零部件。2013年德國Nanoscribe公司發布了一款高速的納米級別微型結構3D打印機——Photonic Professional GT。這款打印機應用了基于雙光子聚合的3D打印技術。打印速度超過5terabits/s（微觀尺度下），其精度可達100nm。不過打印尺度很小。可用于光學器件、光子晶陣等微型器件加工，以及微觀生物學、微觀材料研究等。

2015年歐洲航天局（ESA）和瑞士SWISSto12公司開發出專門為未來空間衛星設計的首個3D打印雙反射面天線原型，最終的測試結果非常令人滿意，3D打印一次成型使裝配誤差降到了最低，精度也大大提高[6]。

2017年5月，歐空局第一次用新型可打印的硬質導電塑料打印出了一顆立方星結構。該結構內含導電線路，節省了連接衛星內部各子系統的電纜線束。未來，一旦儀器設備、電路板和太陽帆板可以被插到結構上，這種3D打印小衛星就具備發射上天的條件[7]。

2018年7月，美國洛克希德-馬丁公司利用3D打印出直徑46英寸、容量74.4加侖的鈦穹頂。與以往制造方式比較，總制造時間從兩年縮短到令人難以置信的三個月[8]。該穹頂主要作為衛星燃料箱的蓋子使用，工程師本月完成了相關測試。

國內第一臺AFS激光快速成型3D打印機于1995年面世，采用樹脂原料作為成型材料，后續形成了AFS系列機型。隨后，華中科技大學研究了熔融擠壓成型（FDM）、選擇性激光燒結成型（SLS）、金屬粉末融化（SLM）等工藝，推出了HRMP系列、HRPS系列金屬粉末成型和HTS-300型塑料成型3D打印設備。清華大學的研究團隊推出的大型3D打印設備SSM-1600能夠打印尺寸為1600mm×800mm×700mm大小的零部件，最小鋪層厚度（打印精度）為0.15mm，激光器掃描速度0.5m/s，能夠打印鋁合金材料。

西北工業大學采用激光立體成型的3D打印技術制造出了鈦合金蜂窩結構件、飛機櫞條、飛機筋板零件等結構件，并用該技術對航空發動機葉片等進行修復，實現了工業級復雜零部件和鈦合金等難加工材料的3D打印，產品力學性能優于鈦合金鑄件。

北京航空航天大學材料學院通過“產學研”結合的方式研制出迄今世界最大、擁有核心關鍵技術的激光快速成型成套工程化裝備，制造出整體鈦合金材料的飛機主承力結構件（5m2）、國產C919客機的雙曲面風擋窗框、戰斗機起落架主承力筒等大型飛機結構件產品。經統計，制造C919中央翼肋時，3D打印設備相對傳統制造技術使材料利用率增加了5倍，研制周期縮短了2/3，成本降低了50%左右。

近日，中國運載火箭技術研究院采用3D打印技術成功試制出火箭發動機關鍵部件：—體化噴注器，這也是國內首次成功采用該技術制造一體化噴注器[9]。噴注器好比火箭發動機的“心臟”，是確保火箭燃料均勻充分燃燒，從而為發動機提供穩定動力輸出的最關鍵部件。

3 3D打印在空間飛行器研制中應用展望

3.1 衛星產品一體成型

3D打印技術對衛星產品的生產有著重要啟示與意義，尤其是最近出現的3D打印衛星燃料貯箱穹頂，表明3D打印技術已進入航空航天工程領域。

經過對衛星各組成部分進行梳理，認為近期可研究利用3D打印技術生產的部件主要有蜂窩板、桁架和衛星貯箱。

3.1.1 蜂窩板一體成型

蜂窩板力學性能良好、質量輕，在衛星上得到了廣泛應用，然而，由于工藝的限制，目前，同一塊蜂窩板的蜂窩芯子規格一致，在集中載荷較大的地方需填充埋塊進行局部加強，在有螺栓連接的地方需埋置預埋件，四周通過發泡膠與芯子連接。

若采用3D打印技術，則可使蜂窩板一體成型，且蜂窩芯子的疏密根據板上載荷的分布決定，無需埋置預埋件，從而大大簡化蜂窩板的生產工藝流程。

圖1 采用3D打印技術后的蜂窩板生產設想圖

隨著3D打印技術的迅速發展，金屬、碳纖維及其他材料的混合打印技術也會很快問世，不僅現有的蜂窩板可以用3D打印機一體加工，星上的一些功能性部件，如電纜、電路板、天線等，也都可以“打印”在蜂窩板夾層內，如圖1所示。屆時，蜂窩板即是結構件，也是功能性部件，從而提高衛星結構的承載比。3D打印與傳統制造生產蜂窩板的比較見表2。

表2 3D打印與傳統制造生產蜂窩板的比較

3.1.2 桁架一體成型

桁架式遙感衛星平臺具有壽命長、承載能力大、結構重量輕、構型可重組、對地面可擴展，可以提供靈活的有效載荷安裝面，拆卸調整方便等優點，因而，將桁架作為衛星結構主承力構件已越來越普遍。美國的World View-1/2，Quick Bird、OrbView-3/5、Ikonos-2、HS702，以及法國的Pleiades等都是采用桁架作為衛星主承力結構。

桁架結構由接頭和桿組成，為保證安裝精度，接頭要求加工精度高，安裝過程中需要不斷地調試，花去了大量的時間和精力。圖2所示為桁架傳統生產方式與3D打印的比較。采用3D打印技術后桁架可一體成型，無需接頭。縮短了桁架加工時間，還不需要組裝。

圖2 桁架兩種生產方式比較

3.1.3 衛星貯箱一體成型

貯箱是衛星推進系統的核心部件。主要有2種，一種為表面張力貯箱，一種為金屬膜貯箱。傳統的貯箱制造工藝復雜，周期長，費用高昂。圖3所示為貯箱制造工藝流程示意圖。貯箱需要分成好多瓜瓣去模壓，再埋入管理裝置、加強結構以及管路等裝置，最后拼焊出來。產品質量與焊接質量息息相關。

圖3 貯箱傳統制造工藝流程

若采用3D打印技術，則可將貯箱內部裝置事先裝配好，再打印貯箱殼，不僅不需要焊接，沒有焊縫質量問題，還不需要模壓，節省了大量材料。

若能有混合金屬、碳纖維及其他材料的的3D混合打印技術問世，貯箱的制造過程還可進一步簡化，即事先不需要任何管內裝置的成品，只需給3D打印設備提供制造這些成品的原材料即可。圖4所示為采用3D打印技術后的貯箱一體成型流程圖。

圖4 貯箱3D打印流程

對3D打印和傳統方法生產貯箱的比較見表3。

表3 不同方法生產出的貯箱

3.2 大型天線在軌制造

航天產品最終都要送入太空執行特定的任務，在一些特殊的任務背景下，地面制造產品再發射入軌遠不如在軌制造經濟、及時、便捷。零部件的強度和剛度不需要做得像地面制造時那么強，因為不用承受運載火箭發射時的環境應力，還可以有效地解決整流罩容積限制航天器自身質量及壓縮折疊狀態下的形狀問題[10]。因此，設計可大大簡化，質量更輕，并且省去了太空環境試驗設備的花費，避免了發射過程中的風險。如果關鍵部件發生故障，便可以在幾小時內完成更換，而不需要等待數周或數月。

為對奔向月球的嫦娥二號進行測控，我國動用了4臺VLBI（Ground VLBI, GVLBI）望遠鏡組成一張直徑3000km的大網負責對嫦娥二號實時監測。

隨著我國深空探測活動的迅速發展，火星探測活動也即將開展。屆時，對探測器的觀測網會更大，觀測分別率也會更高。而地基VLBI觀測的最長基線無法超過地球的直徑，若將VLBI望遠鏡（衛星）送入太空，則可提高基線長度，獲得更大的觀測網和更高的觀測分辨率。

目前，為獲取足夠的信號強度，國外發射上天的VLBI天線口徑為8～10m不等，我國正在研制的VLBI天線口徑也在10m左右。而我國運載的整流罩凈包絡最大為CZ-5火箭的4.5m，無法直接將天線隨衛星送入軌道，只能以折疊狀態固定在火箭發射艙中，且天線四周要有支撐，待入軌后再展開。這不僅增加了天線的研制成本，還極大地束縛了天線的設計。此外，隨著深空探測范圍的不斷增加，天線的口徑會變得越來越大，而運載包絡不可能無限制地增加。

圖5 在軌打印大型天線設想圖

若采用3D打印技術實現大型天線的在軌制造，那么，一切問題便迎刃而解了。只需從地面將星載3D打印裝置和原材料送入太空，再通過合理的打印路徑規劃在空間中制造出大型天線，如圖5所示，就能擺脫現有運載對大型天線外形包絡尺寸的限制，且不需考慮如何折疊設計放入火箭整流罩內及結構加強的問題，還能節省經費。

大型天線在軌制造與地面制造發射升空的比較如表4所示。

表4 大型天線在軌制造與地面制造再升空的比較

4 結束語

NASA針對3D打印技術明確提出了近期發展超大結構的在軌制造技術、中期發展旨在保障長時空間載人探測任務的結構制造等規劃[11]。鑒于我國3D打印技術和航天裝備制造現狀，我國空間飛行器3D打印技術的發展應以中國航天白皮書和載人航天“三步走”發展戰略任務為指引，以未來空間基礎設施、載人空間站建設、在軌維護及深空探測為潛在應用背景，綜合考慮太空環境、發射以及在軌應用等問題，建議近期聯合高校、有實力的3D打印服務商開展星上復雜、難加工零部件如蜂窩板、桁架和衛星貯箱的3D打印預先研究；中期（5～10a）主要瞄準載人空間站的在軌維護、大型天線及其他巨大結構的軌打印研究；遠期（10～15a）則以深空探索為應用背景開展相關研究。

1 譚立忠，方芳. 3D打印技術及其在航空航天領域的應用[J]. 戰術導彈應用，2016(4)：1～7

2 張昱煜，秦緒國，閆月輝. 3D打印技術在航天器制造中的應用[J]. 國防制造技術，2016(4)：61～62

3 尤完. 3D打印建造技術的原理與展望[J]. 北京建筑大學學報，2015，31(4)：76～79

4 姜濤，程筱勝，崔海華等. 3D打印相關技術的發展現狀[J]. 機床與液壓，2018，46(3)：154～160

5 韓壽波，張義文，田象軍. 航空航天用高品質3D打印金屬粉末的研究與應用[J]. 粉末冶金工業，2017，27(6)：44～51

6 Porter. 3D-printed antenna[EB/OL].2016. http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2016/03/3D-printed_antenna

7 ESA. 3d printing cubesat bodies for cheaper, faster missiones. [EB/OL].2017. https://www.esa.int/Our_Activities/Space_Engineering_Technology/3D_printing_CubeSat_bodies_for_cheaper_faster_missions

8 BROADCASTPROME.COM. Lockheed Martin builts 3D printed giant satellite fuel tank [EB/OL]. 2018. http://dwz.cn/nqRjj1OK

9 中國國防科技信息中心. 航天科技一院國內首次采用3D打印技術制造一體化噴注器小記[EB/OL]. 2018. http://m.xue63.com/zixunall/5030/50305797.html

10 楊延蕾，江煒. 在軌3D打印及裝配技術在深空探測領域的應用研究進展[J]. 深空探測學報，2016，3(3)：282～287

11 National Research Council of the National Academies. 3D Printing in Space[R/OL]. https: / /www.nap.edu /catalog.php? record_id = 18871, 2014

Application Research of 3D Printing in Spacecraft Development

Liu Fei Wang Wei Li Jinyue Liao Bo Xu Yaoyun

(Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109)

This paper briefly introduces the concept of 3D printing technology, describes in detail the current situation of 3D printing materials, equipment and its main application in aerospace. By comparing with traditional manufacturing, the advantages of 3D printing are summarized. The paper puts the emphasis on manufacturing of honeycomb panel, truss, large antennas and other spacecraft complex components and facilities, and an integral forming process and on-orbit manufacturing by using 3D printing are proposed. Considering the status of spacecraft equipment manufacturing and 3D printing technology capabilities, it is concluded that 3D printing research on complex and difficult-to-machine components of satellite could be carried out recently, then in the middle and long term, we should aim at on-orbit maintenance of manned space station and deep space exploration.

3D printing；honeycomb；panel truss；large antennas；integral forming process；on-orbit manufacturing；on-orbit maintenance

劉飛（1984），工程師，飛行器設計與工程專業；研究方向：衛星構型與布局設計。

2018-09-25