多圖：航天制造中的3D打印盤點

來源：江蘇激光聯(lián)盟  

導讀：隨著中國新一代載人飛船試驗船進入太空開展在軌驗證，中國實施了多項太空3D打印技術在軌實驗，碳纖維復合材料3D打印與金屬/陶瓷立體光刻微米級精度3D打印制造均在國際上實現(xiàn)零的突破。馬斯克的民營航天火箭發(fā)射成功，讓民用航天得到證實，普通人們到太空中進行旅行就更指日可待。在航天中3D打印的應用，讓3D打印 的應用和普及起到了推波助瀾的作用，這里我們?yōu)榇蠹液唵伪P點一下航天中的3D打印。

3D打印其自由設計的特點和不需要模具的特色，是當前最適合航天工業(yè)制造的先進制造手段。航天工業(yè)所具有的最大特點就是小批量和個性化定制，尤其適合3D打印。本文為大家簡要介紹一下用于航天的3D打印技術。主要分為兩大部分，一部分是在地面進行的3D打印，打印后的部件通過組裝后送入太空；一種是在外太空進行的3D打印。筆者期望通過本文達到兩個目的，一是讓大家了解當前用于太空的3D打印有哪些黑科技，其次是希望通過本文促進3D打印應用和研究的一個參考點。

航天設備中采用3D打印比較有價值和意義的部件

GE 打印公司制造的用于航天的打印過程圖

NASA正在開展的增材制造的實時在線監(jiān)測

航空航天設備在飛行過程中如果遇到結冰的情況，就會使得飛行器的性能顯著下降，所以航空航天設備需要安裝冰探測設備和除冰裝置。GKN公司則使用3D打印進行了制造航空航天使用的光學冰探測器，如下圖所示。

GKN公司采用3D打印制造的航天用的光學冰探測器

  航天中的前哨結構（上部）和前哨結構墻（左下圖）以及細節(jié)圖（右圖）

已經通過點火測試的NASA火箭發(fā)動機de 3D 打印 鎳合金護套

該部件采用3打印之后，制造周期從一年減少到4個月，制造成本還減少了70%。

NASA火箭發(fā)動機中的打印噴嘴

NASA所設想的在太空中采用3D打印進行打印和組裝

NASA發(fā)布的3D打印的全尺寸銅合金火箭發(fā)動機部件實物圖及其金相組織圖

Cranfield University（克蘭菲爾德大學）大學的送絲3D打印鋁合金正在工作的狀態(tài)圖：采用雙面打印的對稱結構，長度為6米的鋁合金

空客防務和航天公司近日對外宣布，已使用鋁合金制造了第一個航天質量的3D打印部件，用于Eurostar E3000衛(wèi)星上。3T RPD公司負責為空客防務和航天公司3D打印支架，其總部設在英國的Newbury。 Eurostar E3000是一種通用衛(wèi)星型號，經常用于商業(yè)和軍事通信用途，是由歐洲Astrium公司制造的。該衛(wèi)星系統(tǒng)采用一個雙向推進的化學推進系統(tǒng)和一個可選的等離子體推進系統(tǒng)（PPS），PPS主要通過氙氣的離子化合和霍爾效應等離子推進器來獲得動力。E3000也是第一個使用鋰離子電池的商用衛(wèi)星系統(tǒng)，這使它即使在日食的情況下也能保證供電。如圖是Eurostar E3000衛(wèi)星上采用 EOSINT M 280打印機打印的鈦合金托架。

用于Eurostar E3000衛(wèi)星的3D打印鋁質支架

Eurostar E3000衛(wèi)星上采用 EOSINT M 280打印機打印的鈦合金托架

太空中的3D打印

太空總部所使用的 增材制造裝備（AMF）

現(xiàn)階段，3D 打印技術在逐漸改變人們對于太空設備和材料的看法。舉個例子，Additive Manufacturing Facility（AMF）目前正國際空間站研發(fā)能夠進行 3D 打印的工具，備用零件，或是將其他有用的部件等并再從地球上運輸過來。受 AMF 公司的啟發(fā)，最近 TUI 和 SSL 正進行著太空 3D 打印相關項目試驗。

盡管 AMF 從地球上運輸過來的工具能在國際空間站進行安全的儲存，但是由 TUI 和 SSL 合作研發(fā)的“SpiderFab 項目卻是完全不一樣的模式。另外這兩家公司還表明 SpiderFab項目由NASA支持的研發(fā)，并且 TUI 的子公司Firmamentum 還會使用Trusselator技術。而 Trusselator 技術將用于在太空中打造輕質桁架，桁架的作用是支撐宇宙飛船中的太陽能電池板、天線、傳感器等部件。此外，這一過程中完全是由機器人“Spinnernet”打印組裝，不需要人工參與。如下圖所示，航空公司 Tethers Unlimited Inc（TUI）與商業(yè)衛(wèi)星公司 Space System Loral （SSL）共同研發(fā) 3D 打印機器人 SpiderFab。SpiderFab 是一款智能蜘蛛機器人，可在太空中進行3D打印和組裝太空飛船的組件、甚至大型結構或衛(wèi)星。

蜘蛛機器人SpiderFab 可在太空組裝3D打印的飛船零件

GKN公司制造的3D打印航天部件

GKN公司制造的3D打印航天部件

NASA采用SLM技術打印所使用的火箭發(fā)動機實物圖，其尺寸規(guī)格自左向右：

25.4 × 25.4 × 25.4 cm (16387.064 cm3), 39.37 × 60.96 × 48.26 cm (115823.768 cm3), 228.6 cm, 116.84 cm, 177.8 cm和 142.24 cm

GKN航天3D打印的構想圖

GKN公司正在使用3D打印制造尾翼

中國首臺太空3D打印機誕生

參考資料：VELO3D Sapphire、huaban.com、NASA、iss-casis.org、GKN、3D科學谷、雷鋒網(wǎng)（陳圳）

文章來源：Additive manufacturing for space: status and promises，Enea Sacco & Seung Ki Moon， The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，volume 105, pages：4123–4146(2019)