3D打印衛(wèi)星越來越火，生產(chǎn)更快,、成本大降

南極熊導(dǎo)讀：隨著增材制造技術(shù)的進(jìn)步，衛(wèi)星上的3D打印部件的數(shù)量正在增加,。衛(wèi)星工廠正在接受這項(xiàng)技術(shù),，以降低成本,，加快生產(chǎn)功能越來越強(qiáng)大的航天器。這些進(jìn)展正在為衛(wèi)星能夠在軌道上打印零件的未來鋪平道路,，但離3D打印整個(gè)衛(wèi)星還有多遠(yuǎn)呢,？

這是一個(gè)棘手的問題，尤其是因?yàn)樾l(wèi)星上的零件數(shù)量因大小和復(fù)雜性而有很大不同,，從簡單的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)到復(fù)雜的半導(dǎo)體,。

△3D打印使多個(gè)波導(dǎo)合并成一個(gè)單元，便于系統(tǒng)集成并優(yōu)化了重量,。資料來源：Swissto12

增材制造專家Swissto12公司的首席執(zhí)行官Emile de Rijk說："立方體衛(wèi)星的部件數(shù)量可能是幾百個(gè),，而大型衛(wèi)星的部件數(shù)量可能是幾萬個(gè)到幾十萬個(gè)，如剛剛發(fā)射的價(jià)值100億美元的詹姆斯-韋伯太空望遠(yuǎn)鏡,。但就在五年前,，3D打印結(jié)構(gòu)的使用在很大程度上是實(shí)驗(yàn)性的，只有極少數(shù)的部件在特殊飛行測試任務(wù)中才會應(yīng)用,。"

△由SWISSto12 3D打印的航空航天零件,。圖片來自SWISSto12

但是現(xiàn)在，幾乎所有建造的衛(wèi)星都多多少少會有一些3D打印部件,，盡管大多數(shù)仍然是相對簡單的機(jī)械支架系統(tǒng),，用于保持航天器的結(jié)構(gòu)。

△2018年發(fā)射的Hispasat 30W-6衛(wèi)星的天線塔由200多個(gè)增材制造部件組成,。資料來源：Maxar Technologies

對于Maxar Technologies來說,，增材制造部件已經(jīng)成為建造的所有衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)，在2020年約占典型航天器中部件的三分之一,。

Maxar在衛(wèi)星上使用的第一個(gè)3D打印金屬部件是由鈦合金制成的,，于2016年在JCSAT-15上發(fā)射，這是一顆為日本Sky Perfect JSAT建造的通信衛(wèi)星,。從那時(shí)起,，Maxar已經(jīng)在發(fā)射的20多顆衛(wèi)星上使用了用鋁、鈦和塑料制成的增材制造的部件,。據(jù)估計(jì),，該公司目前總共有5800個(gè)在軌部件。

Maxar公司負(fù)責(zé)太空的高級副總裁Chris Johnson說："Maxar公司使用3D打印技術(shù)進(jìn)行太空制造,，因?yàn)樗�能提高進(jìn)度的靈活性,，降低成本并提高性能。制造3D打印的部件需要更少的人和更便宜的材料,，這些部件通常有多種用途,，減少了質(zhì)量、硬件數(shù)量和整體部件的復(fù)雜性,。"

△帶有 3D 打印部件的 SES-15 衛(wèi)星,。圖片來自波音

波音防務(wù),、空間與安全公司負(fù)責(zé)增材制造的首席工程師Rich Aston說，他的公司已經(jīng)將增材制造技術(shù)應(yīng)用于航天器和運(yùn)載火箭領(lǐng)域,，包括高性能熱交換器,、機(jī)制、結(jié)構(gòu)和無源微波裝置,。

Aston說：“3D打印正在幫助波音公司從技術(shù)角度突破可能的界限,，創(chuàng)造新的設(shè)計(jì)，快速制作原型,，進(jìn)行測試,，并在有意義的地方部署新技術(shù)。"

波音公司正在尋求發(fā)展這種新型制造能力,，特別是為專注于小型衛(wèi)星市場的MillenniumSpace Systems子公司,，事實(shí)證明3D打印特別適合于比以往更快地在軌道上部署系統(tǒng)。

對于小型衛(wèi)星,，阿斯頓說,，已經(jīng) "證明3D打印的總線提供了更快的生產(chǎn)周期，并且比傳統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)的成本低30%",。

3D打印衛(wèi)星的新階段

De Rijk說,，從制造機(jī)械支架等簡單結(jié)構(gòu)到3D打印熱管理、射頻（RF）和衛(wèi)星上其他更復(fù)雜的部件,，有"相當(dāng)大的一步",。

例如，半導(dǎo)體行業(yè)在過去40年里投資了數(shù)千億美元,，以使支撐現(xiàn)代技術(shù)的日益強(qiáng)大的芯片小型化,。

Swissto12公司首席增長官PeterGuggenbach指出，尖端的半導(dǎo)體工廠現(xiàn)在可以通過光刻工藝生產(chǎn)5納米精度的芯片,，而3D打印則是在另一個(gè)完全不同的領(lǐng)域中運(yùn)作,。

△SWISSto12 之前已經(jīng)交付的3D 打印波導(dǎo)信號互連器件。圖片來自 SWISSto12

Guggenbach說,，使用選擇性激光熔化技術(shù)的先進(jìn)3D打印機(jī)器精度范圍在50微米內(nèi),，要比最好的芯片制造商的精度低4個(gè)數(shù)量級。

Northern Sky Research公司的分析師Dallas Kasaboski表示,，缺乏衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)化也是提供3D打印所提供的規(guī)模經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢的一個(gè)障礙,。Kasaboski通過電子郵件說："就目前而言,，這主要是小型衛(wèi)星的趨勢,，大型衛(wèi)星有不同的要求，而且它不像3D打印火箭發(fā)動機(jī),�,；鸺�發(fā)動機(jī)的制造需要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn),，而衛(wèi)星還沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化的水平，可以從中大大受益,。然而,，工作正在繼續(xù)，以簡化制造過程,，所以隨著我們的發(fā)展,，有可能更多的硬件將成為3D打印的。

應(yīng)用障礙

即使對小型衛(wèi)星制造商來說,，用3D打印機(jī)生產(chǎn)零件也需要人類操作員的大量干預(yù),，可能會增加成本而不是節(jié)省成本。

小型衛(wèi)星專家Nano Avionics公司公司席技術(shù)官Ernestas Kalabuckas聲稱,，他們主要將3D打印用于測試和原型制作,。盡管該公司的傳統(tǒng)衛(wèi)星總線的某些部分是3D打印的，但它們只是占整個(gè)架構(gòu)的一小部分,。

Kalabuckas說：最大的障礙是成本,，因?yàn)楸M管有所改進(jìn)，但除非大規(guī)模進(jìn)行,，否則3D打印金屬部件的成本太高,。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，我們將著眼于更大的星座,，每個(gè)星座至少有一百顆衛(wèi)星,，有許多相同的部件，而且衛(wèi)星設(shè)計(jì)/架構(gòu)已經(jīng)為3D打印進(jìn)行了優(yōu)化,�,！�

衛(wèi)星行業(yè)以前沿用下來的部件標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成了另一個(gè)主要障礙，因?yàn)楦挠迷霾闹圃鞂⑿枰�重新設(shè)計(jì)空間合格的部件,，然后在軌道上測試,，最后再投入廣泛使用。這其中所涉及的風(fēng)險(xiǎn),、時(shí)間和成本根本無法證明快速轉(zhuǎn)換到3D打印的合理性,。然而，雖然它暫時(shí)對衛(wèi)星制造來說不是一個(gè)巨大的成本節(jié)約,，但Nano Avionics公司正在探索這個(gè)領(lǐng)域,，尋求它在未來5-10年的時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化。

△一個(gè)3D打印的全金屬貼片天線,。資料來源：Swissto12

挑戰(zhàn)“全3D打印衛(wèi)星”極限

Swissto12公司2021年幫助澳大利亞初創(chuàng)公司艦隊(duì)空間（Fleet Space Technologies）交付了他們的第一個(gè)用于小型衛(wèi)星的金屬3D打印貼片天線,。

半人馬座4號（Centauri 4）是Fleet Space公司在6月發(fā)射到低地球軌道后的第六顆也是最新的衛(wèi)星，它有四根這樣的天線,。據(jù)艦隊(duì)空間公司聲稱,，利用衛(wèi)星可以連接地面網(wǎng)絡(luò)無法到達(dá)的地區(qū)的設(shè)備,，3D打印的天線使其每公斤的航天器能夠獲得10倍以上的覆蓋率。

△3D打印的阿爾法小衛(wèi)星,。照片來自艦隊(duì)空間

12月,，在B輪投資中籌集了超過2600萬美元后不久，這家創(chuàng)業(yè)公司宣布了第二代星座的計(jì)劃,，它說這將包括完全通過3D打印創(chuàng)造的第一批衛(wèi)星,。

這個(gè)升級的星座中的第一批小衛(wèi)星被稱為Alpha，計(jì)劃在12個(gè)月內(nèi)準(zhǔn)備好發(fā)射,，加入目前在軌的6顆半人馬座立方體衛(wèi)星,。

艦隊(duì)太空公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官弗拉維亞-塔塔-納爾迪尼在一份聲明中說："阿爾法代表了向前邁出的一大步，也是第一次完全通過3D打印技術(shù)制造衛(wèi)星,�,！暗�考慮到3D打印目前的制作水平，該計(jì)劃在太空行業(yè)引起了懷疑,。

Swissto12公司的Guggenbach說："在未來的幾年里,，強(qiáng)大的半導(dǎo)體不太可能被3D打印出來，所以衛(wèi)星總是有非3D打印的部分,。

然而,，在南澳大利亞地方政府約1400萬美元的投資下，艦隊(duì)太空公司表示,，它將在阿德萊德創(chuàng)建該國第一個(gè)專門的太空制造中心,，以完成這一壯舉。

Nardini聲稱,，這個(gè)工廠將包括幾臺價(jià)值數(shù)百萬美元的3D打印機(jī)器,，以幫助實(shí)現(xiàn)他們發(fā)射星座衛(wèi)星的雄心。她說：“我們開始專注于射頻元件（天線等）,，這些元件的3D打印實(shí)際上比其他任何東西都要更復(fù)雜（幾何形狀非常復(fù)雜）,，我們現(xiàn)在已經(jīng)獲得了專利。然后我們已經(jīng)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu),、雙工器,，現(xiàn)在我們正在轉(zhuǎn)向整個(gè)電子元件。"

她還表示,，阿爾法衛(wèi)星中計(jì)劃的半導(dǎo)體沒有那么復(fù)雜,，就像目前更廣泛的市場上最微小的芯片一樣，但事實(shí)上她們也正在為未來計(jì)劃一些更強(qiáng)大的芯片,。

根據(jù)艦隊(duì)空間公司12月3日的公告,，每顆阿爾法衛(wèi)星將有多達(dá)64根3D打印的天線，它說這使得它能夠提供比最近的半人馬座衛(wèi)星高出16倍的性能，而重量只有4倍,。

未來之路依舊艱難

要完整地3D打印高性能衛(wèi)星，必須清除的技術(shù)障礙是相當(dāng)大的,，可能需要新的增材制造工藝,。

Northern Skies Research的Kasaboski將目前的工業(yè)3D打印比作20世紀(jì)90年代的打印機(jī)，一次只能打印一行文字,。

他說："或者,，用另一個(gè)比喻來說，就像在蛋糕上加一層糖霜,。材料在打印機(jī)中被處理,，并以條狀來回鋪設(shè)，一遍又一遍,。其他方法也存在,，但它們相當(dāng)于一個(gè)類似的結(jié)論。所以,，你可以打印結(jié)構(gòu),，獨(dú)特的形狀，制作模具和模型,，但你一般不能打印工作的材料,。如果你使用特殊的材料，你可以打印一些導(dǎo)電或?qū)Т诺臇|西或其他東西,，但這與打印一個(gè)工作的光伏電池相差甚遠(yuǎn),。"

然而，有朝一日能夠自主地在軌道上建造衛(wèi)星的誘惑力可能會繼續(xù)吸引那些希望突破可能極限的人的投資,。

在地球上,，由于重力作用，制造商可以將材料層層疊加實(shí)現(xiàn)成型,。在太空中,，一顆衛(wèi)星有可能由內(nèi)向外建造，最初的幾滴材料在最中心,，在旋轉(zhuǎn)時(shí)向外擴(kuò)展,。

卡薩博斯基補(bǔ)充說："從理論上講，這可能非常有趣,，但就應(yīng)用而言,，這里還沒有許多令人信服的用例。另外,，這項(xiàng)技術(shù)在地面上還沒有完全標(biāo)準(zhǔn)化/得到證實(shí),，更不用說在軌道上了。"

編譯自：Space News

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