3D打印技術讓衛星更有“內涵”

在“斤斤計較，克克黃金”的航天領域，3D打印技術的應用，讓衛星“瘦身”的同時，“內涵”更加豐富。12月3日，在南京舉行的第二屆增材制造研究前沿國際會議中，南京理工大學已在10多顆已經發射的微納衛星中，應用了3D打印技術。

“你們看這個微納衛星模型，就是用3D打印的，這么大的衛星一般用于空間科學實驗驗證。”南京理工大學機械工程學院副院長劉婷婷說。她手握著一顆10 cm3衛星模型，在這個立方體模型中，各個不同功能的元器件像被鑲嵌在結構中。

“衛星中的結構材料是沒有功能的，類似于電視機殼，它只是將各個元器件組裝起來。衛星的質量每增加一點，它的費用就會提高很多。如果結構材料能輕一些，一來可以降低成本，為批量化生產衛星提供基礎，二來可以搭載更多的衛星載荷，進行更多的空間試驗。”劉婷婷介紹，傳統的衛星制造模式，是衛星內部各個模塊分離制造，再裝配集成。但她所在的團隊提出將微納衛星的導電線路內生成型于結構體內部，再嵌入一些功能載荷，這就將衛星的電路、元器件和功能材料融為一體，可以進行“結構-電路-器件”一體化3D打印制造。

一體化3D打印技術的拓撲設計、晶格設計等輕量化設計技術，可以在衛星內部結構上重新布局，從而可以實現衛星輕量化。用3D打印出一體化研制的微納衛星，體積可減少30%以上，功能密度提升30%以上。

劉婷婷表示，未來的衛星，我們會用多機器人來打印，一個機器人打印電路，一個機器人打印結構，一個機器人嵌入器件，最終一體化制造出來。原來的衛星結構占比15%～20%，甚至25%，未來有望降到10%以下，甚至更低。

讓衛星“瘦身”有多難？劉婷婷透露，首先要給衛星的復雜結構減重，“但減重的同時，衛星還要能達到一定的抗沖擊能力，因為火箭在發射過程中會有很大震動，對衛星器件和結構的沖擊力是很強的，衛星要能承載巨大的沖擊力，這對設計要求很高。”

嚴峻的空間環境，也對衛星性能的穩定性提出挑戰。“太空環境非常復雜，高溫時可達零上100 ℃，低溫時低到零下100 ℃。在這樣的環境中，衛星的結構器件要能承受極端溫度和空間輻射，這對3D打印材料的性能也提出很高要求。”劉婷婷說。