3D打印技術(shù)讓衛(wèi)星更有“內(nèi)涵”

在“斤斤計較，克克黃金”的航天領(lǐng)域，3D打印技術(shù)的應(yīng)用，讓衛(wèi)星“瘦身”的同時，“內(nèi)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(xué)已在10多顆已經(jīng)發(fā)射的微納衛(wèi)星中，應(yīng)用了3D打印技術(shù)。

“你們看這個微納衛(wèi)星模型，就是用3D打印的，這么大的衛(wèi)星一般用于空間科學(xué)實驗驗證?！蹦暇├砉ご髮W(xué)機械工程學(xué)院副院長劉婷婷說。她手握著一顆10 cm3衛(wèi)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(jié)構(gòu)中。

“衛(wèi)星中的結(jié)構(gòu)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(wèi)星的質(zhì)量每增加一點，它的費用就會提高很多。如果結(jié)構(gòu)材料能輕一些，一來可以降低成本，為批量化生產(chǎn)衛(wèi)星提供基礎(chǔ)，二來可以搭載更多的衛(wèi)星載荷，進行更多的空間試驗?！眲㈡面媒榻B，傳統(tǒng)的衛(wèi)星制造模式，是衛(wèi)星內(nèi)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(wèi)星的導(dǎo)電線路內(nèi)生成型于結(jié)構(gòu)體內(nèi)部，再嵌入一些功能載荷，這就將衛(wèi)星的電路、元器件和功能材料融為一體，可以進行“結(jié)構(gòu)-電路-器件”一體化3D打印制造。

一體化3D打印技術(shù)的拓撲設(shè)計、晶格設(shè)計等輕量化設(shè)計技術(shù)，可以在衛(wèi)星內(nèi)部結(jié)構(gòu)上重新布局，從而可以實現(xiàn)衛(wèi)星輕量化。用3D打印出一體化研制的微納衛(wèi)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(wèi)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(jié)構(gòu)，一個機器人嵌入器件，最終一體化制造出來。原來的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)占比15%～20%，甚至25%，未來有望降到10%以下，甚至更低。

讓衛(wèi)星“瘦身”有多難？劉婷婷透露，首先要給衛(wèi)星的復(fù)雜結(jié)構(gòu)減重，“但減重的同時，衛(wèi)星還要能達到一定的抗沖擊能力，因為火箭在發(fā)射過程中會有很大震動，對衛(wèi)星器件和結(jié)構(gòu)的沖擊力是很強的，衛(wèi)星要能承載巨大的沖擊力，這對設(shè)計要求很高?！?/p>

嚴峻的空間環(huán)境，也對衛(wèi)星性能的穩(wěn)定性提出挑戰(zhàn)?！疤窄h(huán)境非常復(fù)雜，高溫時可達零上100 ℃，低溫時低到零下100 ℃。在這樣的環(huán)境中，衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)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。