多圖：航天制造中的3D打印盤點(diǎn)

來源：江蘇激光聯(lián)盟  

導(dǎo)讀：隨著中國(guó)新一代載人飛船試驗(yàn)船進(jìn)入太空開展在軌驗(yàn)證,，中國(guó)實(shí)施了多項(xiàng)太空3D打印技術(shù)在軌實(shí)驗(yàn),，碳纖維復(fù)合材料3D打印與金屬/陶瓷立體光刻微米級(jí)精度3D打印制造均在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)零的突破,。馬斯克的民營(yíng)航天火箭發(fā)射成功,，讓民用航天得到證實(shí),，普通人們到太空中進(jìn)行旅行就更指日可待,。在航天中3D打印的應(yīng)用,，讓3D打印 的應(yīng)用和普及起到了推波助瀾的作用,，這里我們?yōu)榇蠹液?jiǎn)單盤點(diǎn)一下航天中的3D打印。

3D打印其自由設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和不需要模具的特色,，是當(dāng)前最適合航天工業(yè)制造的先進(jìn)制造手段,。航天工業(yè)所具有的最大特點(diǎn)就是小批量和個(gè)性化定制，尤其適合3D打印,。本文為大家簡(jiǎn)要介紹一下用于航天的3D打印技術(shù),。主要分為兩大部分，一部分是在地面進(jìn)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(jìn)行的3D打印。筆者期望通過本文達(dá)到兩個(gè)目的,，一是讓大家了解當(dāng)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(jìn)3D打印應(yīng)用和研究的一個(gè)參考點(diǎn)。

航天設(shè)備中采用3D打印比較有價(jià)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(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)

航空航天設(shè)備在飛行過程中如果遇到結(jié)冰的情況,，就會(huì)使得飛行器的性能顯著下降,，所以航空航天設(shè)備需要安裝冰探測(cè)設(shè)備和除冰裝置。GKN公司則使用3D打印進(jìn)行了制造航空航天使用的光學(xué)冰探測(cè)器,，如下圖所示,。

GKN公司采用3D打印制造的航天用的光學(xué)冰探測(cè)器

  航天中的前哨結(jié)構(gòu)（上部）和前哨結(jié)構(gòu)墻（左下圖）以及細(xì)節(jié)圖（右圖）

已經(jīng)通過點(diǎn)火測(cè)試的NASA火箭發(fā)動(dòng)機(jī)de 3D 打印 鎳合金護(hù)套

該部件采用3打印之后，制造周期從一年減少到4個(gè)月,，制造成本還減少了70%,。

NASA火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的打印噴嘴

NASA所設(shè)想的在太空中采用3D打印進(jìn)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(dòng)機(jī)部件實(shí)物圖及其金相組織圖

Cranfield University（克蘭菲爾德大學(xué)）大學(xué)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(duì)稱結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度為6米的鋁合金

空客防務(wù)和航天公司近日對(duì)外宣布,，已使用鋁合金制造了第一個(gè)航天質(zhì)量的3D打印部件,，用于Eurostar E3000衛(wèi)星上。3T RPD公司負(fù)責(zé)為空客防務(wù)和航天公司3D打印支架,，其總部設(shè)在英國(guó)的Newbury,。 Eurostar E3000是一種通用衛(wèi)星型號(hào)，經(jīng)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(gè)雙向推進(jìn)的化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)和一個(gè)可選的等離子體推進(jìn)系統(tǒng)（PPS），PPS主要通過氙氣的離子化合和霍爾效應(yīng)等離子推進(jìn)器來獲得動(dòng)力,。E3000也是第一個(gè)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(jī)打印的鈦合金托架,。

用于Eurostar E3000衛(wèi)星的3D打印鋁質(zhì)支架

Eurostar E3000衛(wèi)星上采用 EOSINT M 280打印機(jī)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(shù)在逐漸改變?nèi)藗儗?duì)于太空設(shè)備和材料的看法。舉個(gè)例子，Additive Manufacturing Facility（AMF）目前正國(guó)際空間站研發(fā)能夠進(jìn)行 3D 打印的工具,，備用零件,，或是將其他有用的部件等并再?gòu)牡厍蛏线\(yùn)輸過來。受 AMF 公司的啟發(fā),，最近 TUI 和 SSL 正進(jìn)行著太空 3D 打印相關(guān)項(xiàng)目試驗(yàn),。

盡管 AMF 從地球上運(yùn)輸過來的工具能在國(guó)際空間站進(jìn)行安全的儲(chǔ)存，但是由 TUI 和 SSL 合作研發(fā)的“SpiderFab 項(xiàng)目卻是完全不一樣的模式,。另外這兩家公司還表明 SpiderFab項(xiàng)目由NASA支持的研發(fā)，并且 TUI 的子公司Firmamentum 還會(huì)使用Trusselator技術(shù),。而 Trusselator 技術(shù)將用于在太空中打造輕質(zhì)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(jī)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(jī)器人 SpiderFab,。SpiderFab 是一款智能蜘蛛機(jī)器人,，可在太空中進(jìn)行3D打印和組裝太空飛船的組件、甚至大型結(jié)構(gòu)或衛(wèi)星,。

蜘蛛機(jī)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(shù)打印所使用的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)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(gòu)想圖

GKN公司正在使用3D打印制造尾翼

中國(guó)首臺(tái)太空3D打印機(jī)誕生

參考資料：VELO3D Sapphire、huaban.com,、NASA,、iss-casis.org、GKN,、3D科學(xué)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)