航天制造領域的3D打印應用是怎樣不斷超越自我的？

3D打印之于航天制造，3D打印好比是航天的翅膀，幫助科學家們實現(xiàn)飛得更高，飛得更輕松，飛得更安全，看得更遠的愿望。對于視頻中的Raul Polit-Casillas來說，3D打印在航天制造領域的應用是一個不斷實現(xiàn)想象力和創(chuàng)造力自我超越的過程。

Go Beyond之輕量化結構
不管是蜂窩結構還是點陣結構，這些都通過3D打印技術更好的應用在航天領域。拿點陣結構來說，這種材料特點是重量輕、高強度比和高特定剛性。并且?guī)�來各種熱力學特征，晶格結構的超輕型結構適合用在抗沖擊/爆炸系統(tǒng)、或者充當散熱介質、聲振、微波吸收結構和驅動系統(tǒng)中。點陣結構材料的一大應用領域是太空探索，空間應用要求所使用的材料具有很高的強度、剛度和耐腐蝕性。

不過理論上3D打印制造成本對設計的復雜性不敏感，但就點陣結構的3D打印工作來說，并不是點擊即打印這么簡單，這是個充滿挑戰(zhàn)的過程，需要豐富的應用經(jīng)驗。不僅僅是建模，當設計趨于復雜的時候，制造方面的挑戰(zhàn)就更大了，特別是例如鈦合金這樣的材料，可以表現(xiàn)出顯著的殘余應力，所以需要當心在一層構建完成后，下一層鋪粉的時候粉刷的材質不能過于剛性，過于剛性的粉刷容易將點陣的微小結構借助殘余應力帶來的熱變形而將剛剛構建好的結構進一步破壞掉。

這方面，不僅僅是Thales Alenia Space將點陣金屬結構應用到歐洲最大的衛(wèi)星制造商Thales Alenia Space的衛(wèi)星上。在點陣結構胞元性能研究方面，中國航天科技集團五院總體部根據(jù)三維點陣的胞元形式的特點，結合三維點陣在航天器結構中應用的實際情況，提出了三維點陣結構胞元的表達規(guī)范，即通過胞元占據(jù)的空間并結合胞元桿件的直徑來表達三維點陣結構胞元的設計信息。大量的實驗數(shù)據(jù)，系統(tǒng)化的研究方法，使得中國航天科技集團五院總體部在3D打印方面擁有了與西方航天技術賽跑的競爭力。

Go Beyond之更小的衛(wèi)星
通過開發(fā)更先進的制造技術（如3D打�。�，衛(wèi)星的外觀越來越小的趨勢已經(jīng)顯現(xiàn)。隨著衛(wèi)星技術與應用的不斷發(fā)展，人們在要求降低衛(wèi)星成本、減小風險的同時，迫切需要加快衛(wèi)星開發(fā)研制周期。特別是單一任務的專用衛(wèi)星，以及衛(wèi)星組網(wǎng)，更需要投資小、見效快的衛(wèi)星技術。小衛(wèi)星技術因此應運而生。

圖片：NASA開發(fā)的小衛(wèi)星

在國內，中國航天科技集團五院總體部正在積極的進行通過3D打印立體小衛(wèi)星的布局，從金屬到高性能材料的轉換目前是航空航天市場的一大趨勢。

而不僅僅是3D打印小衛(wèi)星，據(jù)市場研究，NASA還在致力于全3D打印完整的成像望遠鏡。這種3D打印的方法可以改變系外行星成像的游戲規(guī)則。光學自由曲面將至關重要。一方面使得望遠鏡擁有更大的視野，而且適合尺寸有限的包裝，比如用在現(xiàn)在流行的小衛(wèi)星或者立方體衛(wèi)星上，能夠為航天器節(jié)省出更多的空間。

Go Beyond之復雜的材料實現(xiàn)性能結合
在這方面，NASA 噴氣推進實驗室研發(fā)了混合打印多種金屬或合金的3D打印技術。該技術將可以解決長期以來航天器零部件制造中的一大難題。例如，一個零件的一側要具備耐高溫特性，而另一側要具備低密度特性；或只能在一側具有磁性。制造這樣的零部件此前只能采用焊接的方法，先分別制造出不同的部件，然后再將它們焊接起來。但焊縫天然具有缺陷，容易脆化，在高強度壓力下極易導致零件崩潰。NASA正在做一個標準的3D打印工序，讓新技術能夠兼容不同的金屬粉末，以便于制造飛行器。借助這項技術，可以不斷地改變材料的組成。

Go Beyond之一體化結構實現(xiàn)多種功能集成
金屬3D打印可以讓打印部件達到傳統(tǒng)方式無法達到的薄壁、尖角、懸垂、圓柱等形狀的極限尺寸，讓產(chǎn)品設計師有了更大的發(fā)揮空間。在進行飛行器中的復雜零部件設計時，設計師由過去以考慮零部件的可制造性為主，轉變?yōu)樵霾脑O計思維下的實現(xiàn)零部件功能性為主。以噴油嘴為例，受到傳統(tǒng)制造技術的限制，以前的噴油嘴包括通過焊接組合在一起的三個部分，不僅無法避免焊接具有的缺陷，而且會使噴油嘴的重量增大。而使用金屬3D打印技術制造噴油嘴，則設計師可以將噴油嘴設計優(yōu)化為一體的零件，有利于零部件自身的輕量化和性能的提升。正如視頻中的Raul Polit-Casillas所說，一體化結構實現(xiàn)使得傳統(tǒng)的組裝工作變得不再需要。

圖片：NASA開發(fā)的一體化結構零件

Go Beyond之復雜的結構實現(xiàn)超材料性能
2017年，美國航空航天局的噴氣推進實驗室（JPL）推出了最新的3D打印開發(fā)結果：金屬“空間織物”。3D打印的金屬織物：強大、可折疊、反光且高度耐熱，可用于制造未來的宇航員太空服或航天器的屏蔽和絕緣。

圖片：NASA的Raul Polit-Casillas領導的團隊開發(fā)的金屬織物材料

創(chuàng)新的3D打印金屬材料正是由視頻中的Raul Polit-Casillas領導的團隊開發(fā)的，該團隊由噴氣推進實驗室的系統(tǒng)工程師組成，Raul從小成長在紡織品和面料的環(huán)境中，因為他的母親是時裝設計師。 或許正是這一成長經(jīng)歷，給他帶來通過3D打印金屬織物的靈感，而這一發(fā)現(xiàn)可以為NASA和空間探索提供許多有趣的應用。該材料類似于一種正方形的銀色鏈條織物，是使用增材制造過程創(chuàng)建的，這意味你不需要真正的去“紡織”這些金屬“織物”，而是通過3D打印技術將這種紡織的感覺一次性呈現(xiàn)出來。事實上，Raul甚至把織物的制造過程稱為4D打印。

3D打印空間織物目前有四個主要功能：反射率、折疊率、拉伸強度和被動熱管理。后者是一個至關重要的特征，由織物的一面用于光反射，而另一側則吸收熱量。折疊功能也很重要，因為這意味著材料可以輕松地適應身體運動的弧度。

來源：3D科學谷