增材制造技術在航天領域的應用與前景

文|高飛 于濟菘 趙相禹

長光衛星技術有限公司

一、引言

近年來，增材制造技術發展迅速，已經在工業制造、建筑工程、航空航天以及醫療衛生等領域得到了廣泛應用，激光選區熔化成形、熔融沉積成形、激光選區燒結成形、電子束/電弧熔絲成形等增材制造技術已經發展的十分成熟，利用這些增材制造技術制備的發動機匯分流機架、渦輪泵葉輪、常平環、俯仰框、電纜罩、熱電池支架、鈦合金內流道閥體、衛星貯箱、熱控相變板、鈦合金斜撐支架、鈦合金主承力結構等產品，已經通過了地面測試和各項環境考核，逐步應用于空間站、深空探測、運載火箭、衛星結構等領域[1-3]。

二、增材制造技術簡介

1.增材制造技術的概念

增材制造技術，又稱“3D打印技術”，是基于“分層切片+逐層堆積”的思想，根據三維模型數據，采用離散材料（液體、粉末、絲、片、板、塊等）逐層累加原理制造實體零件的技術。增材制造設備通常由高精度機械系統、數控系統、噴射/熔融/沉積系統和成形環境等子系統構成。相對于傳統的材料去除技術（如切削等），增材制造是一種自下而上材料累加的制造工藝[4]。

2.增材制造技術分類

增材制造技術的分類方法較多。按原材料的不同，可分為金屬、聚合物、復合材料/功能材料的增材制造技術；按能量發生源的不同，可分為激光束、電子束、等離子束、電弧增材制造技術；按照材料供給方式的不同，可分為預置材料式和同步供給材料式增材制造技術[5]。目前常見的成形方法有激光選區成形（SLS/SLM）、液態光固化成形（SLA）、熔融沉積成形（FDM）、分層實體成形（LOM）等，上述常見工藝進行匯總如表1所示[6]。

從民用產品發展到航空航天領域，增材制造在設計、材料、裝備、工藝和檢測等方面對產品精度和性能提出了更高的要求。在航天應用產品的高品質需求下，增材制造的技術體系可分解為四個方面：基于輕量化的增材制造結構設計技術、面向航天應用需求的專用材料技術、適用于航天產品的專用裝備和工藝技術，以及基于增材制造的航天器產品檢測與評價技術[7-8]。

三、增材制造技術在航天領域的優勢和局限

1.增材制造技術的優勢

相較于傳統減材加工方式，增材制造技術應用于航天領域具有顯著優勢，具體可歸納為以下幾點。

（1）利于復雜航天產品的低成本設計

傳統航天產品設計往往受限于傳統制造技術，一些復雜的輕量化、鏤空化的支架設計無法實現，復雜化產品大多停留在概念設計階段，無法通過工藝手段完成。增材制造技術給復雜航天產品制造提供了更多的可能性，使設計人員的設計思路不再受制于制造技術的束縛，為復雜產品的實現奠定了堅實基礎。同時，不同于傳統制造行業產品越復雜加工費用越高的特點，利用增材制造技術制造復雜產品的成本并不會相應增長，更利于復雜化產品的低成本設計。

表1 增材制造技術的常見工藝

（2）提高航天產品可靠性，利于一體化產品設計

以增材制造技術為基礎，將傳統設計中零件間復雜的連接關系簡化，通過產品的一體化設計，縮減零件加工后的裝配環節，提高產品的可靠性。同時，傳統的生產制造多建立在產業鏈和流水線基礎上，產品零件越多，結構越復雜，其供應鏈和產品線也會越長，成本也就越高。通過一體化設計成形的產品，摒棄了繁復的裝配環節，從而縮短供應鏈，大大降低產品生產成本。

（3）降低生產成本，利于精益化管理

傳統的減材技術在產品制造時，伴隨產品成形過程會形成大量的切削屑，而這些碎屑無法再投入生產，造成了大量的浪費，無形中增加了加工企業的生產成本。增材制造技術的浪費量將顯著減少，隨著打印材料的不斷進步，“凈成形”的增材制造手段將會成為更加節約環保的加工方式，利于企業精益化管理，實現企業利益的最大化。

（4）降低模具產品風險，利于技術迭代

傳統制造過程中，對于復雜化、批量化或超大化的零件，往往通過開模制造的方式完成，而這一過程需要消耗大量的時間成本、人力成本，模具的產品質量也直接決定了最終的產品質量。增材制造技術摒棄了這一中間環節，降低了引入風險。對于新產品研制來說，也能大大縮短產品的研制周期，降低研制成本，加快“設計—驗證”迭代循環，提高生產效率。

（5）設備、材料攜帶方便，即打即用

由于增材制造設備的打印特點，一臺儀器可同時兼容多臺減材設備的功能，同時增材制造的一種原材料可替代減材技術多種規格的原料，因此增材制造技術所使用的設備不受場地的限制，尤其在大型空間站中可實現空間在軌零件的即損即補，降低航天任務成本。

2.增材制造技術的局限

（1）打印材料種類單一

耗材是目前制約增材制造技術廣泛應用的關鍵因素。目前已研發的材料主要有部分塑料、樹脂和金屬等，然而增材制造技術要實現更多航天方面的應用，還需要開發出更多的可打印材料。

（2）打印精度和質量較低

增材制造技術是先通過計算機輔助設計（CAD）或計算機動畫建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區”成逐層的截面，然后3D打印機通過讀取文件中的橫截面信息，逐層打印出幾何實體。而這種分層制造方法存在“臺階效應”，每個層次雖然很薄，但在一定微觀尺度下，仍會形成具有一定厚度的逐級“臺階”，如果需要制造的對象表面是圓弧形，那么就會造成精度上的偏差，需要在“打印”成形后再進行表面打磨處理。另外，3D打印出的產品沒有經過熱加工，其硬度、強度、剛性、耐疲勞性等機械性能都無法與鑄件、鍛件相比。

（3）打印速度較慢

目前大部分增材制造技術的工作原理為3D打印機先將打印材料融化，然后從噴嘴里擠出材料，移動噴嘴來完成材料疊加，最終完成產品加工。受此打印原理的限制，打印速度相對較慢，如需打印一個高質量產品，往往需要花費數小時甚至數天的時間。

（4）打印產品性能穩定度較差

通過增材制造設備打印的產品未經過熱加工，其硬度、強度、剛性、耐疲勞性等機械性能都無法與鑄件、鍛件相比，物理性能、化學性能大多不能滿足工程實際需要。通過增材制造手段打印出的產品其材料的性能參數穩定度相對較差，對于航天產品來說，易影響力學分析、熱分析等優化分析結果，不利于產品的優化設計。

四、增材制造技術在航天領域的典型應用

1.國外典型應用案例

2017年5月，美國的Aerojet公司成功點火測試了其采用增材制造技術制造的液體燃料火箭發動機Bantam，這款發動機推力超過3萬磅，十分適合小型運載火箭以及低成本的高端市場使用。這次測試是在俄亥俄州代頓市附近的懷特-帕特森空軍基地完成的，而通過測試的是用于RL10火箭發動機的推力室部件，是通過激光燒結（LS）技術使用銅合金打印而成的。火箭發動機點火試驗如圖1所示。采用3D打印技術制造該推力室，帶來了以下三方面好處：一是降低了成本；二是大幅縮短了時間，原先采用傳統技術需要數月，現在只需不到1個月；三是大大簡化了部件的組成，將組件數量從原先的近20個減少到了2個。

圖1 火箭發動機點火試驗

歐洲航天局（ESA）計劃于2020年發射星上自主項目-3（PROBA-3）衛星，衛星天線系統中包括了一種3D打印鋁合金螺旋式天線（圖2）。該天線在實現功能的同時保持了射頻和熱機械性能，目前已由合同制造商完成交付，并通過了ESA PROBA-3衛星任務的飛行認可。泰雷茲-阿萊尼亞航天公司已將粉末選區激光熔化3D打印技術投入到通信衛星組件的批量生產中，其全電動Spacebus Neo平臺將配備4個3D打印鋁制反作用輪支架，以及16個天線展開和指向機構（ADPM）支架，其中包括4個鋁合金支架和12個鈦合金支架。

圖2 3D打印鋁合金螺旋天線

2.國內典型應用案例

2015年，湖南華曙高科技有限責任公司成功研發出全球首款開源可定制金屬3D打印設備FS271M，開發了不銹鋼、鈦合金、鈷鉻合金等金屬3D打印材料的選區激光熔融工藝。2016年初，該公司攻克了12種3D打印金屬粉末材料激光精密成形的難點，成為國內率先成功燒結鎢、鉭、銅合金材料的3D打印企業，其打印的鉭桁架結構硬度適中、富有延展性，可以拉成細絲式制薄箔，其熱膨脹系數很小，可作飛機發動機的燃燒室的結構材料，火箭、導彈和噴氣發動機的耐熱高強材料以及控制和調節裝備的零件等。

2019年初，我國發射的嫦娥四號中繼衛星“鵲橋”上使用了由3D打印技術制造的動量輪支架（圖3）。傳統設計制造斜裝動量輪支架，一般采用鋁合金棒料機械加工而成的整體式薄壁零件，當壁厚太薄及減重孔太多時，支架加工過程容易發生變形，導致成形精度難以保證。“鵲橋”衛星斜裝動量輪支架采用北京衛星制造廠有限公司提供的AlSi10Mg鋁合金選區激光融化成形工藝（SLM）進行加工，支架減重50%。

圖3 “鵲橋”衛星動量輪支架

2019年8月發射升空的千乘一號衛星整星結構采用面向增材制造的輕量化三維點陣結構進行設計，通過鋁合金增材制造技術一體化制備。傳統微小衛星結構質量占比為20%左右，整星頻率一般為70Hz左右。千乘一號衛星的整星結構質量占比降至15%以內，整星頻率提高至110Hz，整星結構零部件數量縮減為5件，設計及制備周期縮短至1個月。整星結構尺寸超過500mm×500mm×500mm包絡尺寸，也是目前最大的增材制造一體成形衛星結構，千乘一號衛星主承力結構如圖4所示[8]。

圖4 千乘一號衛星主承力結構示意圖

五、增材制造技術在航天領域的發展趨勢

航天產品對于增材制造技術的應用更強調產品的應用特色，具體包括：單件個性化、極致輕量化特點，異常復雜結構的點陣、鏤空、變截面等特點，結構/功能一體化、高集成度特點，以及太空環境適應性要求的特點。結合近年來的發展，增材制造技術在航天領域的應用呈現出以下發展趨勢。

1.單件、小批量、快速、低成本

航天產品零部件制造屬于單件小批量研制生產模式，與其他傳統制造技術相比，采用增材制造技術的產品具有設計自由度寬泛、易于與其他制造技術集成的特點。增材制造技術尤其適合制造單件、小批量、個性化零部件，且可大幅縮短產品研發時間、降低研發成本。隨著制造設備和粉末、絲等原材料的價格降低，增材制造的低成本快速研制優勢更加明顯。

2.復雜/功能一體化

衛星支架、桁架接頭、節點球等構件制造工藝復雜，加工難度大。運用增材制造技術，零件成形后的機械加工余量小、材料利用率高、生產周期短，加工過程即實現結構件“近凈成形”，零件的制造流程大幅簡化。增材制造技術還可用于結構功能一體化零件成形，如可以在復合材料結構中嵌入傳感器、熱管和電子元器件等功能元件，減小復合材料功能構件的質量和結構尺寸。增材制造技術理論上能成形任意復雜的形狀，能解放航天器結構工程師的設計理念，使其在輕量化結構、功能化結構、一體化結構設計等方面拓展設計思路，大膽設計各種新概念結構。

3.航天器備品、備件“即需即造”

長期在軌服役航天器的部分零部件存在磨損、老化、性能降低乃至失效的風險，為此需攜帶大量備品、備件用于修復或替換受損零部件，不僅增加航天器載重和上行成本，而且占用空間站內部儲存空間。通過航天增材制造技術可實現航天器修復或替換用零部件、空間站應急所需工具在太空環境的“即需即造”，顯著降低運載載重，節約任務成本，同時節省航天器和空間站內部貯存空間。

4.大型空間結構的在軌制造

受運載火箭整流罩包絡所限，桁架、天線等大型結構通常以折疊收攏狀態發射，入軌后展開，而折疊收攏對展開機構和折疊方式要求較高，且結構尺寸仍然受限。航天增材制造技術將改變傳統大型結構設計制造理念，通過在太空直接制造的方式，有效拓展大型結構的空間尺寸和結構設計的可能性。

六、結束語

增材制造技術不受零件形狀和結構的約束，給予設計更大的自由度，而且以其快速便捷的實現效果，對產品的原型設計、方案驗證、模樣展示、個性化定制等產生了巨大效益，現階段發展十分迅速。相對成熟的激光選區熔化成形、激光熔融沉積成形、電弧增材制造、多材料混合的結構電子一體化成形、高強高耐熱聚合物熔融沉積成形等增材制造技術已經被應用于運載火箭、衛星支架、空間站等領域。可以預見，增材制造技術在航天領域的應用將更加普遍，更多的增材制造新技術、新手段也將被應用到航天領域中。