楊佳文 （北京空間機電研究所）

3D打印技術(shù)在航天領(lǐng)域的應用

楊佳文 （北京空間機電研究所）

Application of 3D Printing In Space

隨著空間光學遙感器分辨率、可靠性的提高，其在各方面性能要求也逐步提高，向大型化、復雜化、輕量化、敏捷化方向發(fā)展，要求光機結(jié)構(gòu)具有高比剛度、高尺寸穩(wěn)定性、合理的阻尼特性，并且具有結(jié)構(gòu)功能一體化，如光機結(jié)構(gòu)同時實現(xiàn)溫控、減震等功能要求。另外，各型號任務均具有研制周期短的特點，要求制造環(huán)節(jié)能夠快速響應，縮短制造周期，為型號任務節(jié)省寶貴時間。開展3D打印技術(shù)在遙感器研制領(lǐng)域的應用，可以實現(xiàn)復雜薄壁光機結(jié)構(gòu)的快速、精密制造，打破現(xiàn)有研制模式的限制，提升結(jié)構(gòu)性能和功能化設(shè)計，為遙感器的研制做好基礎(chǔ)研究工作。

1　3D打印技術(shù)的分類

3D打印技術(shù)于20世紀90年代由美國提出，目前的3D打印方式主要有3種，激光熔覆（LENS）、選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）和選區(qū)激光熔化（SLM）。

激光熔覆采用同軸環(huán)形粉末噴嘴，并使用大功率激光器，輸送的粉末匯聚點與激光作用點重合，通過工作臺或噴嘴移動，獲得堆積的熔覆實體，致密度接近100%。此技術(shù)使用的是大功率激光器，光斑較大，一般在1mm左右，所得到的金屬零件的尺寸精度和表面粗糙度都較差，只能制作粗毛坯，需精加工后才能使用。

選區(qū)激光燒結(jié)是利用低熔點金屬或有機粘接材料包覆在金屬粉末表面，激光選區(qū)照射時，激光作用下低熔點金屬或粘接材料熔化，而金屬粉末不熔化，形成的三維實體為類似粉末冶金燒結(jié)的坯件，實體存在一定比例間隙，不能達到100%密度，力學性能也較差，還需要經(jīng)過高溫重熔或滲金屬填補孔隙等后處理才能使用。這種方法多采用50W激光器，光斑尺寸在0.1～0.4mm，由于功率密度不高，工業(yè)上較少用于金屬粉末的燒結(jié)，多用于工程塑料或有機材料粉末的燒結(jié)。

激光熔覆原理圖

選區(qū)激光熔化原理圖

選區(qū)激光熔化是在選區(qū)激光燒結(jié)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，主要區(qū)別在于所用激光器和聚焦斑點尺寸的不同，金屬粉末完全熔化，產(chǎn)生冶金結(jié)合。與選區(qū)激光燒結(jié)相比，選區(qū)激光熔化使用的是高功率密度激光器，可聚焦到幾十微米大小的光斑，其外形不需要進一步加工，經(jīng)拋光或簡單表面處理即可使用。

根據(jù)粉末的輸送方式的不同，可以將激光快速成形技術(shù)分為送粉式和鋪粉式。激光熔覆采用同軸送粉的方式，適合于大型構(gòu)件整體制造，對于大部分材料而言性能優(yōu)于同成分鑄件或鍛件。選區(qū)激光熔化和選區(qū)激光燒結(jié)均采用鋪粉的方式，可實現(xiàn)高精度近凈成形，能實現(xiàn)幾乎任意復雜精密構(gòu)件的整體成形。

空客防務與航天事業(yè)部利用EOSINT M 280（左）打印的衛(wèi)星用支架（右）

2　3D打印技術(shù)的應用及發(fā)展趨勢

目前，3D打印技術(shù)主要應用于機械領(lǐng)域的工具及模具、生物醫(yī)療領(lǐng)域的生物植入零件或替代零件、電子領(lǐng)域的散熱器件、航空航天領(lǐng)域的超輕結(jié)構(gòu)件、梯度功能復合材料零件等。

3D打印技術(shù)在國外的應用及發(fā)展趨勢

美國首先于1995年提出高性能金屬零件的3D打印，Sandia及Los Alomos國家實驗室率先發(fā)展出激光熔覆及激光直接制造（DLF）的技術(shù)，研究了不銹鋼、鎳基合金、鈦合金、難熔金屬等材料的組織及性能，并于1998年由Optomec公司成功推出商業(yè)化的激光熔覆系統(tǒng)。美國AeroMet公司在美國空軍、陸軍及國防部有關(guān)研究計劃支持下，進行3D打印鈦合金飛機結(jié)構(gòu)件的應用關(guān)鍵技術(shù)研究，直接打印出各種鈦合金飛機結(jié)構(gòu)件。2001年AeroMet公司開始為波音公司（Boeing）F/A-18E/F艦載聯(lián)合殲擊/攻擊機小批量試制發(fā)動機艙推力拉梁、機翼轉(zhuǎn)動折疊接頭、翼梁等鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件，并于2002年率先實現(xiàn)3D打印鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件在F/A-18等戰(zhàn)機上的驗證考核和裝機應用。

在航天領(lǐng)域，3 D打印技術(shù)的應用案例也越來越多。空客防務與航天事業(yè)部利用EOS公司的EOSINTM280制備了衛(wèi)星上的支架，節(jié)省了20%的成本。該支架用于碳纖維蜂窩板和衛(wèi)星主體，需要承受-180℃～150℃環(huán)境產(chǎn)生的熱應力。采用3D打印技術(shù)可以實現(xiàn)低成本單件制備，大大減少了生產(chǎn)周期，使得設(shè)計人員可以優(yōu)化修改設(shè)計。1顆衛(wèi)星所需的3個支架的制備周期只需要不到1個月時間，比原來節(jié)省了5天，質(zhì)量減輕了將近1kg。

2014年8月1日，美國太空探索技術(shù)公司宣布，2014年1月6日發(fā)射的獵鷹-9火箭上的9臺灰背隼－1D發(fā)動機中的一個采用了3D打印技術(shù)制備的主氧化閥門。該閥門成功經(jīng)受了液氧的高壓、低溫以及發(fā)射時的強震動。該零件采用傳統(tǒng)鑄造工藝需要耗時數(shù)月，而采用3D打印技術(shù)制備只需要不到兩天。

太空探索技術(shù)公司使用的3D打印的主氧化閥門

利用3D打印技術(shù)制備的電池安裝板

美國航空航天局已經(jīng)采用3 D打印技術(shù)制備了電子器件的冷卻板、封裝板、防護板等類似零件。如戈達德空間中心發(fā)射的首件3 D打印的電池安裝板就是采用3 D打印技術(shù)制備的熱塑性塑料聚醚酮（PKK)，該器件已經(jīng)用于一項測試熱控器件性能的探空火箭任務。

美國航空航天局的工程師利用3D打印技術(shù)制備了第一個3D打印的Invar合金輕量化結(jié)構(gòu)。這種具有100年歷史的鐵鎳合金在一定溫度范圍內(nèi)具有極低的熱膨脹系數(shù)，因而有優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性，是理想的光學儀器結(jié)構(gòu)材料。在“詹姆斯韋伯空間望遠鏡”（JWST）上的集成科學儀器模塊（ISIM）就使用了近500kg的Invar合金。通過3D打印技術(shù)可以獲得更加輕量化的Invar結(jié)構(gòu)。

高性能航天器離不開更輕、更強的材料制備和結(jié)構(gòu)設(shè)計。3D打印技術(shù)給新材料、新結(jié)構(gòu)的制備提供了新的途徑。德國卡爾斯魯厄技術(shù)研究所（KIT）的科學家受到骨骼結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，利用激光束和特制的鏡頭固化光敏聚合物形成常規(guī)加工無法制備的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，再與鋁粉混合。通過對這些結(jié)構(gòu)的力學測試，尋找更高比強度的材料結(jié)構(gòu)。

航天器中經(jīng)常希望在同一個零件的不同部位具有不同的性能，現(xiàn)有的方案一般是分別用不同材料制備不同的部分，再將它們焊接的理想材料。這樣，焊接的技術(shù)難度和質(zhì)量隱患都很大。而通過3D打印技術(shù)可以很方便地實現(xiàn)一個零件的不同區(qū)域具有不同的材料性能。美國噴氣推進實驗室基于選區(qū)激光熔化技術(shù)，讓打印頭具備了實時更換打印粉末的能力，每一層打印使用不同的成分，制備了具有成分梯度的結(jié)構(gòu)。還可以通過在基體材料上打印不同的材料制備具有成分梯度的結(jié)構(gòu)。

人類傳統(tǒng)的機械加工制造工藝很難實現(xiàn)在空間環(huán)境的大規(guī)模應用，無法滿足人類地外生存的需求。3D打印技術(shù)提供了很好的解決思路。一方面，3D打印技術(shù)設(shè)備所占空間小、便攜制造。就單位生產(chǎn)空間而言，激光3D打印技術(shù)的制造能力更強，可以制造比自身還要大的物品。另一方面，3D打印技術(shù)產(chǎn)生較少的副產(chǎn)品，減少資源浪費。未來在外層空間，使用3D打印技術(shù)按需制造零部件，可逐步消除太空探索對地球的依賴，帶來顯著的經(jīng)濟和社會效益。

美國航空航天局認為，開展空間環(huán)境下的3D打印技術(shù)的研究，具有以下意義：

1）可實現(xiàn)“國際空間站”上部分物資的自給能力。把原材料送入“國際空間站”，在“國際空間站”上實施3D打印，可有效解決“國際空間站”所需物資的運輸問題，有效避免火箭發(fā)射造成的時間耽擱、成本浪費等問題。

2）可使零部件的質(zhì)量減少30%。由于在地球上制造的部件在發(fā)射過程中要承受過載和振動，因而需要具備較強性能，而在空間制造零部件則無需考慮這一問題，因而可大幅簡化零部件的結(jié)構(gòu)，不但可以減少約30%的質(zhì)量，更重要的是可以大大降低設(shè)計制造的難度。

3）可有效緩解火箭整流罩容積與有效載荷規(guī)模和形狀的矛盾，解決超大、超長物體或設(shè)備的運載問題。為此， 美國航空航天局等機構(gòu)和企業(yè)積極開展太空3D打印研究工作，于2011年啟動了在“國際空間站”上試驗零重力環(huán)境下的3D打印技術(shù)項目。選擇了太空制造公司（Made in Space）合作開展此項研究。該研究將分3個階段開展：

第一階段，掌握零重力環(huán)境下的3D打印原理與方法，研究零重力環(huán)境下3D打印技術(shù)與常規(guī)環(huán)境下3D打印技術(shù)之間的差異。2011年7-9月，太空制造公司針對3類不同的3D打印機及多個獨立的組件，完成了3次飛行試驗，進行了400多次微重力拋物線飛行測試，為后續(xù)研制“國際空間站”用3D打印機和應用3D打印技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

第二階段，設(shè)計制造并試驗用于“國際空間站”上的3D打印機。2011年12月，太空制造公司啟動了首套用于“國際空間站”的微重力環(huán)境3 D打印機的設(shè)計工作，投入研發(fā)經(jīng)費12.5萬美元。在多次微重力試驗的基礎(chǔ)上，確定采用熔融堆積成形（FDM）方法，將聚合物材料逐層打印形成所需產(chǎn)品。目前尚未透露具體的設(shè)計方案。2013年1月，開始制造用于“國際空間站”的3D打印機的工作，并開展了更深入的微重力測試，保障其性能和質(zhì)量。該3D打印機能夠完成制造數(shù)百種物品，如實驗設(shè)備、消費品、容器、電纜固定件、工具等用于修理或替換空間站上的零部件。

第三階段，在“國際空間站”上進行零重力環(huán)境下的3D打印試驗。2014年8月，借助太空探索技術(shù)公司的貨運飛船已將首套3D打印試驗設(shè)備送上“國際空間站”，以驗證空間環(huán)境下的3D打印零部件與常規(guī)條件下打印零部件的性能差別。

利用3D打印技術(shù)制備的Invar結(jié)構(gòu)

卡爾斯魯厄技術(shù)研究所研究人員利用3D打印制備的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

太空制造公司設(shè)計的3 D打印機是在地球以外使用的首款制造性設(shè)備。這臺打印機將在太空中制造21個組件，整個生產(chǎn)過程將透過視頻記錄儀進行觀察，然后在返回地球后還要直接進行檢查。該3D打印機使用ABS材料進行打印。為了滿足3D打印在空間供料的要求，太空制造公司專門開發(fā)了ABS循環(huán)系統(tǒng)R3DO。這套系統(tǒng)采用了包括微重力條件下原料擠出、低功率加熱、微重力環(huán)境下的穩(wěn)定性、材料控制、切斷器機構(gòu)、材料過濾、冷卻以及安全保險機構(gòu)等多項技術(shù)。該系統(tǒng)還可以將最大6cm×12cm×6cm的ABS原料轉(zhuǎn)變成1.75mm (±0.1mm)直徑的細線、球或其他可以用于3D打印的形狀。而下一臺計劃永久部署于“國際太空站”上的機器將具備打印多種材料的能力，但并未透露將使用哪些添加材料。部署于太空中的3 D打印機既可以直接在太空中控制，也可以在地球上進行控制。太空制造公司表示針對最初的技術(shù)性展示組件，有些打印程序?qū)⒅苯釉谔照締?，而有些打印程序則透過地球上的計算機觸發(fā)。從長期發(fā)展來看高效率地使打印過程自動化盡可能減少機組人員動手的時間才是關(guān)鍵。

3D打印技術(shù)在國內(nèi)的應用及發(fā)展趨勢

我國于20世紀末開展金屬零件的3D打印技術(shù)研究，在國家“863”和“973”計劃、國家自然科學基金重點項目等的大力支持下，清華大學、北京航空航天大學、西北工業(yè)大學、華中科技大學和北京有色金屬研究院等先后開展了該技術(shù)領(lǐng)域的研究。其中，國內(nèi)從事選區(qū)激光熔化技術(shù)研究的單位有華中科技大學、西北工業(yè)大學、北京有色金屬研究總院、北京航空材料研究總院、上海航天設(shè)備制造總廠、中國運載火箭技術(shù)研究院首都航天機械公司等，主要的研究方向覆蓋了選區(qū)激光熔化技術(shù)研究、制品的性能研究、設(shè)備研發(fā)、原材料粉末制備、新材料選區(qū)激光熔化技術(shù)的研究等。

北京航空航天大學王華明教授帶領(lǐng)的激光材料成形與制備實驗室突破了飛機鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件激光熔覆快速制造工藝及裝機應用關(guān)鍵技術(shù)，激光熔覆快速制造TC4、TA15、TC2等鈦合金室溫及高溫拉伸、光滑疲勞等力學性能達到鈦合金鍛件水平，而高溫持久及缺口疲勞等力學性能顯著超過鍛件，特別是激光熔覆制造角盒等飛機構(gòu)件疲勞壽命大幅超過鈦合金鍛件。2005年來，激光快速成形制造TA15鈦合金角盒、飛機座椅上下支座、腹鰭接頭等飛機鈦合金結(jié)構(gòu)件，已成功實現(xiàn)在多個重點型號飛機上的應用，零件材料利用率提高了5倍、制造周期縮短了60%、制造成本降低了50%以上。

華中科技大學的曾曉雁教授帶領(lǐng)的團隊在2012年研發(fā)出的選擇性激光燒結(jié)成形設(shè)備，工作臺面達到1.2m×1.2m，遠遠超過德國、美國等公司同類產(chǎn)品，使我國在3D打印制造領(lǐng)域達到世界領(lǐng)先水平。該團隊自主研制的NRD-SLM-Ⅱ設(shè)備的成形尺寸可達320mm×250mm×250mm，成形材料包括鋁基、鐵基、鎳基、鈦基合金等。日前，中國運載火箭技術(shù)研究院首都航天機械公司引進了一臺該設(shè)備，并與華中科技大學聯(lián)合成立了快速成形技術(shù)聯(lián)合實驗室，從事選區(qū)激光熔化技術(shù)的研究。

NRD-SLM-Ⅱ型設(shè)備

華中科技大學選區(qū)激光熔化制備的零件

西北工業(yè)大學的凝固技術(shù)國家重點實驗室一直從事3D打印技術(shù)的研究，在材料成形和修復方面取得了很多成果，應用3D打印技術(shù)制造了推比10航空發(fā)動機鼓筒軸；在航空發(fā)動機軸承后機匣的成形和修復方面應用激光成形與修復技術(shù)，零件已進行試驗樣機的裝機試驗。目前，西北工業(yè)大學正在進行C919飛機上的鈦合金選型試驗件生產(chǎn)，其樣件力學性能均達到了支線飛機零件制造標準的要求，尺寸最大的零件已經(jīng)達到了2.85m。

上海航天設(shè)備制造總廠于2013年成立了3D打印研究中心，自主研制出選區(qū)激光熔化設(shè)備，成形尺寸最大為200mm×200mm×200mm，可制備的材料包括鈦合金、不銹鋼、高溫合金、非金屬材料等。

整體3D打印的零件（將導引頭艙壁、整流罩和基座融合為一個零件）

激光3D打印制備的復合材料壓氣機葉片鈦合金進氣邊（長1.22m，壁厚0.8～1.2mm，最終加工變形僅0.12mm）

3　總結(jié)與展望

3D打印技術(shù)帶來的是加工制造觀念的革命性轉(zhuǎn)變。與傳統(tǒng)制造方式相比不但可以大幅度減少成本，而且突破了傳統(tǒng)制造工藝對于復雜形狀的限制，使得幾乎任意形狀都可以加工，與航天產(chǎn)品輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計思路高度契合。同時給了設(shè)計人員幾乎無限的結(jié)構(gòu)設(shè)計空間，可以大幅度提升結(jié)構(gòu)性能，挖掘現(xiàn)有材料的潛力。3D打印在航天領(lǐng)域中的應用可以分為3個層次：

1) 利用3D打印技術(shù)開展新材料、新結(jié)構(gòu)的研究工作。通過研發(fā)適用于航空航天產(chǎn)品的高強輕質(zhì)的新材料、新結(jié)構(gòu)，為航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計提供更堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)；

2) 利用3D打印技術(shù)直接制備航天產(chǎn)品，可以實現(xiàn)航天產(chǎn)品的低成本、短周期、小批量的制造?？梢酝卣乖O(shè)計人員的思路，創(chuàng)新設(shè)計，快速實現(xiàn)?？s短概念設(shè)計到產(chǎn)品定型的研制周期，推動航天器設(shè)計制造水平的提升。

3) 3 D技術(shù)在空間環(huán)境的應用，可以真正實現(xiàn)空間制造。研究3D打印技術(shù)、材料對于空間環(huán)境的適應性，有助于實現(xiàn)就地取材、快速制造、實時維修，對于人類實現(xiàn)星際旅行，地外生存具有跨時代的意義。

縱觀發(fā)達國家在3 D打印應用于空間技術(shù)的成果，可以發(fā)現(xiàn)3D打印技術(shù)是制造業(yè)的通用技術(shù)，是一次制造方式的變革，應用前景廣闊。3D打印在空間技術(shù)上的應用，要大力借鑒其在地面的成果和經(jīng)驗，堅持走產(chǎn)學研結(jié)合的道路，充分利用科研院所、高校、高新企業(yè)的能力，提出航天產(chǎn)品3 D打印要求，實現(xiàn)航天產(chǎn)品的3D打印制備。尤其是關(guān)于3D打印在空間環(huán)境上的應用，是航天事業(yè)跨越式發(fā)展的契機，一般科研院所和企業(yè)很難全面考慮，系統(tǒng)解決，需要宇航企業(yè)梳理好需求，加強引領(lǐng)，甚至親自涉足3D打印技術(shù)的具體實現(xiàn)，多提供3D打印設(shè)備在空間應用的機會，實際考察其空間環(huán)境適應性。

2015年第二季度航天器發(fā)射統(tǒng)計

表續(xù)

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