國外3 D打印技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用分析

賈平　李輝　孫棕檀（中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院）

國外3 D打印技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用分析

賈平李輝孫棕檀（中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院）

2014年12月17日，美國商業(yè)公司研制的全球首臺微重力3D打印機(jī)在“國際空間站”依照美國航空航天局從地面發(fā)送的設(shè)計文件打印出套筒扳手。3D打印機(jī)未來有望用于制造“國際空間站”30%以上的備用部件。

近年，美、歐、日等國家或組織積極開展了3D打印技術(shù)（又稱增材制造技術(shù)）在航天領(lǐng)域的研究與應(yīng)用。盡管目前在太空中進(jìn)行3D打印尚處于試驗驗證階段，但已規(guī)劃與實施的諸多在地面上進(jìn)行增材制造的項目表明：3D打印技術(shù)已在衛(wèi)星與火箭等航天制造領(lǐng)域顯示出重要的發(fā)展價值和應(yīng)用潛力。調(diào)查顯示，其在航空航天工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用份額已占全部應(yīng)用領(lǐng)域的10%以上。

1　在國外航天領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及趨勢

應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，3 D打印技術(shù)在衛(wèi)星領(lǐng)域尚處于簡單機(jī)電系統(tǒng)的建造和評估階段。其主要成果包括：采用3 D打印技術(shù)制造的2 U立方體衛(wèi)星—“快速成型微機(jī)電推進(jìn)和輻射試驗”（RAMPART）的平臺模塊，實現(xiàn)了將標(biāo)準(zhǔn)的與定制的太陽電池板、布線和測壓元件的插板模塊混合制造；第一個采用3D打印技術(shù)、具有完備功能的航天發(fā)動機(jī)微型推進(jìn)系統(tǒng)AMPS-H，完成了將結(jié)構(gòu)和燃料混合制造為一體的部件；美國高校在2013年底首次采用3D打印技術(shù)進(jìn)行立方體衛(wèi)星簡單電子設(shè)備的制造；美國噴氣推進(jìn)實驗室與紅眼公司合作，于2014年11月打印出氣象、電離層和氣候星座觀測系統(tǒng)-2（COSMIC-2）衛(wèi)星的功能天線陣結(jié)構(gòu)。

3D打印的火箭發(fā)動機(jī)噴嘴

3D打印的火箭發(fā)動機(jī)噴嘴正在進(jìn)行點(diǎn)火試驗

3D打印的MPS-120立方星推進(jìn)系統(tǒng)

3 D打印技術(shù)已用于推進(jìn)系統(tǒng)精密零部件的制造。美國航空噴氣-洛克達(dá)因公司與美國格倫研究中心及馬歇爾航天飛行中心，近兩年已針對通過3D打印技術(shù)生產(chǎn)的火箭發(fā)動機(jī)噴嘴在3316℃高溫下進(jìn)行了一系列點(diǎn)火試驗。在此基礎(chǔ)上，航空噴氣-洛克達(dá)因公司已分別于2014年6月和12月對采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)的Baby Bantam火箭發(fā)動機(jī)和MPS-120立方星高比沖自適應(yīng)模塊化推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了點(diǎn)火試驗。較精密的發(fā)動機(jī)噴嘴的點(diǎn)火試驗成功標(biāo)志著3D打印技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用由研發(fā)階段向工程化應(yīng)用邁進(jìn)了一步。

應(yīng)用趨勢

（1）進(jìn)一步開展大尺寸和金屬航天零部件的制造

大尺寸航天零部件的3D打印技術(shù)因受限于打印設(shè)備體積等因素的限制而處于應(yīng)用起步階段。美國洛馬公司與紅眼公司已利用3D打印技術(shù)造出2個衛(wèi)星的大型燃料貯箱模擬器；航空噴氣-洛克達(dá)因公司也已在2014年8月被美國空軍基地授予了液體火箭發(fā)動機(jī)大尺寸零部件的3D打印合同，標(biāo)志著使用該技術(shù)或可造出更多種大尺寸航天器零部件。日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）宣布擬在2015年為一枚大型試驗火箭（將于2020年發(fā)射）研發(fā)出制造高級金屬零部件的3D打印機(jī)。

（2）太空中的應(yīng)用進(jìn)入在軌試驗階段

在太空平臺上應(yīng)用3D打印技術(shù)具有諸多獨(dú)特優(yōu)勢，例如可就地取材，節(jié)約運(yùn)輸成本。美國華盛頓州立大學(xué)已成功利用激光將仿月球巖石材料熔化，用于制造小型科研衛(wèi)星零部件；美國航空航天局已于2014年9月將首臺零重力3D打印機(jī)送到“國際空間站”，打印出首個物體（該3D打印機(jī)的面板）；歐洲航天局和歐盟也設(shè)立了邁向零廢棄物和高科技金屬產(chǎn)品的高效生產(chǎn)的增材制造（AMAZE）項目，旨在將第一臺3 D金屬打印機(jī)運(yùn)至“國際空間站”；歐洲航天局亦擬于2015年將歐洲第一臺非金屬3D打印機(jī)安裝到“國際空間站”。

利用“蜘蛛制造”技術(shù)進(jìn)行千米級孔徑的在軌建造

可自我復(fù)制的月球工廠概念圖

2　 在航天領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢與潛在價值

3D打印技術(shù)的優(yōu)勢

（1）降低成本，縮短周期

采用3D打印技術(shù)可以大幅降低航天零部件的研制成本、縮短研制周期。美國采用3D打印技術(shù)打印了多個“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）重型火箭發(fā)動機(jī)的零部件：用3D打印技術(shù)制造RS-25發(fā)動機(jī)的彈簧Z隔板僅需9天；制造排氣孔蓋的成本比傳統(tǒng)方法降低65%；制造噴嘴用時不到4個月，成本可降低70%，而用傳統(tǒng)工藝制造噴嘴需要1年多。

（2）提高零部件性能，提升設(shè)計空間

采用3D打印技術(shù)可以實現(xiàn)零部件的整體制造，無需焊接、鉚接等組裝工藝，減少零部件數(shù)量，從而提高零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、完整性和可靠性等性能，洛馬公司正努力采用3D打印技術(shù)將A2100衛(wèi)星平臺現(xiàn)有10%的3D打印零件比例增至2017年的50%；同時也有利于設(shè)計出更復(fù)雜、采用傳統(tǒng)工藝無法制造的航天器零部件。

在太空中應(yīng)用的潛在價值

（1）在軌航天器的維修和零部件替換及實現(xiàn)航天器自我復(fù)制

通過“國際空間站”等太空平臺進(jìn)行3D打印，將其與美國航空航天局的“鳳凰計劃”結(jié)合，可根據(jù)需要直接在太空中制造出需要替換的老化和損壞的航天器零部件，無需再通過火箭發(fā)射到太空；采用3D打印輔助“蜘蛛制造”（SpiderFab），有助于實現(xiàn)航天器的自我復(fù)制。

（2）在太空中循環(huán)再利用打印材料

如果太空中的3D打印技術(shù)能將太空中的材料回收再利用，則可能有助于緩解目前的物流和操作問題，減少太空垃圾。

（3）在地外星體表面建造基地和設(shè)備

如果能用地外星體上的材料建造3D打印基地和所需設(shè)備，實現(xiàn)3D打印設(shè)備在外太空的自我復(fù)制，可為月球基地或其他星球基地的建設(shè)提供幫助。

（4）建造難以在地球上制造或難以從地球上運(yùn)輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)

通過在軌建造不便在地球制造或運(yùn)輸?shù)拇笮徒Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)，能降低結(jié)構(gòu)對拉伸強(qiáng)度的要求，不需考慮火箭發(fā)射振動和加速度對結(jié)構(gòu)的影響，還可避免衛(wèi)星質(zhì)量超出標(biāo)準(zhǔn)，解決火箭整流罩容積對有效載荷的限制問題。

3　面臨的挑戰(zhàn)與應(yīng)對措施

制造精度有待提高，大規(guī)模生產(chǎn)效率不高

采用不同3D打印技術(shù)工藝和設(shè)備最終會造出不同精度級別的零部件。光束或加工的方向會導(dǎo)致零部件中產(chǎn)生熱應(yīng)力，影響零部件的制造精度。光束與粒子的分辨率也會對熱傳導(dǎo)和熱應(yīng)力產(chǎn)生影響，從而影響零部件的集成。

目前的3D打印技術(shù)還不適于大規(guī)模生產(chǎn)，部分原因是每種設(shè)備只配有定制的單一工藝和幾種限定材料，工業(yè)級3D打印設(shè)備價格較貴；又沒有統(tǒng)一的規(guī)范進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化約束,加上制造精度的不足，將影響產(chǎn)品的可復(fù)制性。

為解決這些問題，3D打印的設(shè)備性能與工藝性能都需要提升。例如，研發(fā)閉合回路工藝控制系統(tǒng)來檢測和反饋設(shè)備系統(tǒng)的多種參數(shù)；要想提高生產(chǎn)效率，需要開發(fā)出集多種材料、多種工藝于一身，集增材與減材工藝于一體的設(shè)備；研發(fā)出更多適合3D打印的材料；制定和采用健全的材料工藝標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品檢驗標(biāo)準(zhǔn)，有助于提高產(chǎn)品的可復(fù)制性，美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）和ISO技術(shù)委員會聯(lián)合發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)已被多數(shù)國家接受。

設(shè)計易被竊取

聯(lián)網(wǎng)的3D打印機(jī)易受黑客攻擊，有關(guān)的設(shè)計可能被竊取或篡改，而且3D打印技術(shù)特性也使原始零部件易被掃描復(fù)制。為防止航天零部件設(shè)計被竊取，3D打印技術(shù)需與賽博防御技術(shù)協(xié)同發(fā)展，同時知識產(chǎn)權(quán)也需相關(guān)政策法律的保護(hù)。

傳統(tǒng)材料的局限等因素導(dǎo)致無法制造整機(jī)

傳統(tǒng)材料的性能限制了3D打印的應(yīng)用范圍，有礙電子元器件的制造,從而限制了航天器高性能零部件的制造。美國已通過微型3D打印技術(shù)開發(fā)了一種超輕、超高剛度金屬晶格材料，并將與以色列合作為增材制造研發(fā)石墨烯增強(qiáng)型材料，它有可能改變電子元器件的制造方式。美國空軍研究實驗室（AFRL）開展的“即插即用衛(wèi)星平臺”（Pn PSat平臺）項目，致力于實現(xiàn)電氣線束和分布網(wǎng)絡(luò)與航天飛行器結(jié)構(gòu)的集成。洛馬、諾格等公司和一些大學(xué)也在研究打印帶有電子導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)，以便將機(jī)電子系統(tǒng)集成到組件中。

電子元器件的制造技術(shù)與新材料研發(fā)是未來需重點(diǎn)突破的方向之一。將電氣線束與結(jié)構(gòu)集成的技術(shù)是超越單純結(jié)構(gòu)制造的重要進(jìn)步，這項技術(shù)在研發(fā)成熟后將是增材制造飛行器整機(jī)和其子系統(tǒng)的重要突破。

在太空平臺上應(yīng)用面臨復(fù)雜太空環(huán)境的挑戰(zhàn)

美國已著手在太空平臺上進(jìn)行3D打印的評估和試驗，但是將面臨微重力、真空環(huán)境、熱環(huán)境、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、穩(wěn)定的制造平臺，還有電力系統(tǒng)等一系列的挑戰(zhàn)。除了設(shè)備必須體積小、質(zhì)量輕，可在太空環(huán)境下正常工作外，采用的工藝和材料也必須克服太空環(huán)境的復(fù)雜性。

在太空中或其他適用性未知的領(lǐng)域中應(yīng)用3D打印前，有必要進(jìn)行包括基礎(chǔ)設(shè)施費(fèi)用和創(chuàng)造新功能價值在內(nèi)的效費(fèi)比分析和風(fēng)險評估，以及規(guī)劃發(fā)展路線。

4　結(jié)束語

3 D打印技術(shù)在航天領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的現(xiàn)狀表明：在地面上采用3D打印技術(shù)進(jìn)行某些航天零部件的制造可降低成本、縮短周期，有助于設(shè)計研發(fā)具有新功能、新結(jié)構(gòu)的零部件，提高結(jié)構(gòu)可靠性，還可帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

然而，3 D打印技術(shù)在太空中應(yīng)用還需謹(jǐn)慎論證。尤其要處理好與傳統(tǒng)制造技術(shù)的關(guān)系，既要避免對傳統(tǒng)制造業(yè)造成負(fù)面沖擊，也要抓住可能變革制造工業(yè)的契機(jī)；以實現(xiàn)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)、電子元器件的制造，以及大規(guī)模生產(chǎn)為未來發(fā)展方向，或可為航天工業(yè)乃至制造工業(yè)帶來巨大變革。

我國要在3D打印技術(shù)蓬勃發(fā)展的浪潮中，緊跟發(fā)展潮流，進(jìn)行前瞻性謀劃和部署，贏得航天裝備競爭乃至整個工業(yè)技術(shù)革命的主動權(quán)。

Space Application of 3D Printing in Foreign Countries