3D打印技術(shù)在空間飛行器研制中的應(yīng)用研究

劉 飛 王 煒 李金岳 廖 波 徐耀云

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3D打印技術(shù)在空間飛行器研制中的應(yīng)用研究

劉 飛 王 煒 李金岳 廖 波 徐耀云

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109）

簡(jiǎn)要介紹了3D打印技術(shù)概念，詳細(xì)描述了3D打印材料、裝備及其在航空航天領(lǐng)域的主要應(yīng)用現(xiàn)狀，通過與傳統(tǒng)制造方法相比較，分析歸納出3D打印技術(shù)制造優(yōu)勢(shì)。重點(diǎn)針對(duì)蜂窩板、桁架、大型天線等空間飛行器復(fù)雜部組件和應(yīng)用設(shè)施制造提出了利用3D打印一體成型制造和在軌制造的方法及工藝流程，并結(jié)合空間飛行器裝備制造現(xiàn)狀和3D打印技術(shù)能力，得出近期開展星上復(fù)雜、難加工零部件的3D打印研究，中、遠(yuǎn)期主要瞄準(zhǔn)載人空間站的在軌維護(hù)、深空探索等研究的結(jié)論。

3D打?。环涓C板；桁架；大型天線；一體成型；在軌制造；在軌維護(hù)

1 引言

3D打印技術(shù)是一種基于快速成型（Rapid Prototyping，RP）技術(shù)理念的新型制造技術(shù)，麥肯錫咨詢公司、美國(guó)《國(guó)防雜志》等機(jī)構(gòu)均將3D打印視為未來最具顛覆性技術(shù)之一[1]，《中國(guó)制造2025》將其列入重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)路線圖。在航空航天制造方面，3D打印技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用在復(fù)雜零部件制造到整機(jī)制造的各個(gè)方面，大幅縮短了飛行器制造周期，減少機(jī)械加工量，是航空航天領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。

3D打印的物體通過連續(xù)的物理層創(chuàng)建，如同斷層掃描的逆過程。斷層掃描是把物體“切割”成無數(shù)分散的切片，就像對(duì)物體做“微分”；而3D打印的整個(gè)制造過程可看做一個(gè)“積分”過程，將基本原材料組合，打印出每一層后再做疊加，使其成為一個(gè)立體零件[3]。3D打印技術(shù)具有快速成型和自由制造的基本特征，3D打印設(shè)備可廣泛應(yīng)用于新產(chǎn)品開發(fā)、小批量高質(zhì)量產(chǎn)品制造、科學(xué)試驗(yàn)研究等領(lǐng)域。能夠在一臺(tái)設(shè)備上可以制造出任意形狀的零部件，實(shí)現(xiàn)了自由制造；解決了復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的成型，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，其快速成型的速度作用越明顯，生產(chǎn)周期短；適合加工難度大、性能要求高、價(jià)值昂貴以及現(xiàn)有傳統(tǒng)制造方法無法加工的產(chǎn)品等主要特點(diǎn)。

3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)制造方法相比各有優(yōu)劣，尤其在成本、周期和工藝上存在明顯差異，如表1所示。

表1 3D打印與傳統(tǒng)制造方法的比較

從技術(shù)優(yōu)勢(shì)上看，3D打印是增材制造，材料利用率高，工藝過程簡(jiǎn)單，尤其適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜產(chǎn)品，制造速度快，生產(chǎn)周期短。

2 3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)在3D打印技術(shù)上對(duì)材料、成型工藝、計(jì)算機(jī)軟件等方面進(jìn)行了深入研究，并不斷拓展3D打印的應(yīng)用范圍。

2.1 3D打印材料發(fā)展現(xiàn)狀

塑料材料：1988年世界上第一臺(tái)商用型3D打印機(jī)SLA 250，采用樹脂塑料作為原材料。高分子塑料熔融溫度低，成型工藝簡(jiǎn)單，適合立體光刻（SLA）、熔融堆積（FDM）、分層實(shí)體制造（LOM）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）等多種3D打印工藝，已成為當(dāng)前低端市場(chǎng)上3D打印機(jī)的主要成型原材料。塑料產(chǎn)品由于材料性能限制，不能適應(yīng)嚴(yán)苛力學(xué)環(huán)境條件，金屬材料填補(bǔ)了其應(yīng)用空白。但金屬材料與塑料相比熔融溫度高，對(duì)成型工藝要求高。

金屬材料：20世紀(jì)90年代，國(guó)內(nèi)外開始研究將金屬材料作為3D打印設(shè)備的原材料，開發(fā)了多種用于金屬原材料的3D打印工藝[4]，如：激光燒結(jié)成型（SLS）、電子束熔融（EBM）、激光直接成型（LENS）。美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Sandia National Laboratories）發(fā)展的激光直接成型（LENS）3D打印技術(shù)，可制造不銹鋼、高溫合金、鈦合金等金屬零部件產(chǎn)品，其性能達(dá)到或超過了普通工藝制造的同類零部件。目前用于金屬3D打印的粉末制備技術(shù)主要以霧化法為主[5]。3D打印金屬粉末指尺寸小于1mm的金屬顆粒群，包括單一金屬粉末、合金粉末以及具有金屬性質(zhì)的某些難熔化合物粉末。目前，3D打印金屬粉末材料包括鈷鉻合金、不銹鋼、工業(yè)鋼、青銅合金、鈦合金和鎳鋁合金、鋁合金等。

復(fù)合材料：復(fù)合材料零部件要求多種原材料混合打印，對(duì)3D打印設(shè)備的要求更高。美國(guó)Aero Met公司采用LasForm激光直接成型技術(shù)不僅制造出了合金材料的功能部件，而且可以制備功能梯度材料和復(fù)合材料零部件。

2.2 3D打印應(yīng)用現(xiàn)狀

歐美的3D打印裝備發(fā)展較早、較成熟。2012年ExOne公司推出了工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)S-Max，其最大打印尺寸為1800mm×1000mm×700mm，可用的打印材料包括鑄鐵、鋼、銅、鎢等金屬粉末材料，打印精度0.28～0.5mm，打印速度59400～165000cm3/h，可加工大型機(jī)械零部件。2013年德國(guó)Nanoscribe公司發(fā)布了一款高速的納米級(jí)別微型結(jié)構(gòu)3D打印機(jī)——Photonic Professional GT。這款打印機(jī)應(yīng)用了基于雙光子聚合的3D打印技術(shù)。打印速度超過5terabits/s（微觀尺度下），其精度可達(dá)100nm。不過打印尺度很小?？捎糜诠鈱W(xué)器件、光子晶陣等微型器件加工，以及微觀生物學(xué)、微觀材料研究等。

2015年歐洲航天局（ESA）和瑞士SWISSto12公司開發(fā)出專門為未來空間衛(wèi)星設(shè)計(jì)的首個(gè)3D打印雙反射面天線原型，最終的測(cè)試結(jié)果非常令人滿意，3D打印一次成型使裝配誤差降到了最低，精度也大大提高[6]。

2017年5月，歐空局第一次用新型可打印的硬質(zhì)導(dǎo)電塑料打印出了一顆立方星結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)內(nèi)含導(dǎo)電線路，節(jié)省了連接衛(wèi)星內(nèi)部各子系統(tǒng)的電纜線束。未來，一旦儀器設(shè)備、電路板和太陽(yáng)帆板可以被插到結(jié)構(gòu)上，這種3D打印小衛(wèi)星就具備發(fā)射上天的條件[7]。

2018年7月，美國(guó)洛克希德-馬丁公司利用3D打印出直徑46英寸、容量74.4加侖的鈦穹頂。與以往制造方式比較，總制造時(shí)間從兩年縮短到令人難以置信的三個(gè)月[8]。該穹頂主要作為衛(wèi)星燃料箱的蓋子使用，工程師本月完成了相關(guān)測(cè)試。

國(guó)內(nèi)第一臺(tái)AFS激光快速成型3D打印機(jī)于1995年面世，采用樹脂原料作為成型材料，后續(xù)形成了AFS系列機(jī)型。隨后，華中科技大學(xué)研究了熔融擠壓成型（FDM）、選擇性激光燒結(jié)成型（SLS）、金屬粉末融化（SLM）等工藝，推出了HRMP系列、HRPS系列金屬粉末成型和HTS-300型塑料成型3D打印設(shè)備。清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)推出的大型3D打印設(shè)備SSM-1600能夠打印尺寸為1600mm×800mm×700mm大小的零部件，最小鋪層厚度（打印精度）為0.15mm，激光器掃描速度0.5m/s，能夠打印鋁合金材料。

西北工業(yè)大學(xué)采用激光立體成型的3D打印技術(shù)制造出了鈦合金蜂窩結(jié)構(gòu)件、飛機(jī)櫞條、飛機(jī)筋板零件等結(jié)構(gòu)件，并用該技術(shù)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等進(jìn)行修復(fù)，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)級(jí)復(fù)雜零部件和鈦合金等難加工材料的3D打印，產(chǎn)品力學(xué)性能優(yōu)于鈦合金鑄件。

北京航空航天大學(xué)材料學(xué)院通過“產(chǎn)學(xué)研”結(jié)合的方式研制出迄今世界最大、擁有核心關(guān)鍵技術(shù)的激光快速成型成套工程化裝備，制造出整體鈦合金材料的飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)件（5m2）、國(guó)產(chǎn)C919客機(jī)的雙曲面風(fēng)擋窗框、戰(zhàn)斗機(jī)起落架主承力筒等大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，制造C919中央翼肋時(shí)，3D打印設(shè)備相對(duì)傳統(tǒng)制造技術(shù)使材料利用率增加了5倍，研制周期縮短了2/3，成本降低了50%左右。

近日，中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院采用3D打印技術(shù)成功試制出火箭發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件：—體化噴注器，這也是國(guó)內(nèi)首次成功采用該技術(shù)制造一體化噴注器[9]。噴注器好比火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的“心臟”，是確保火箭燃料均勻充分燃燒，從而為發(fā)動(dòng)機(jī)提供穩(wěn)定動(dòng)力輸出的最關(guān)鍵部件。

3 3D打印在空間飛行器研制中應(yīng)用展望

3.1 衛(wèi)星產(chǎn)品一體成型

3D打印技術(shù)對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)品的生產(chǎn)有著重要啟示與意義，尤其是最近出現(xiàn)的3D打印衛(wèi)星燃料貯箱穹頂，表明3D打印技術(shù)已進(jìn)入航空航天工程領(lǐng)域。

經(jīng)過對(duì)衛(wèi)星各組成部分進(jìn)行梳理，認(rèn)為近期可研究利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)的部件主要有蜂窩板、桁架和衛(wèi)星貯箱。

3.1.1 蜂窩板一體成型

蜂窩板力學(xué)性能良好、質(zhì)量輕，在衛(wèi)星上得到了廣泛應(yīng)用，然而，由于工藝的限制，目前，同一塊蜂窩板的蜂窩芯子規(guī)格一致，在集中載荷較大的地方需填充埋塊進(jìn)行局部加強(qiáng)，在有螺栓連接的地方需埋置預(yù)埋件，四周通過發(fā)泡膠與芯子連接。

若采用3D打印技術(shù)，則可使蜂窩板一體成型，且蜂窩芯子的疏密根據(jù)板上載荷的分布決定，無需埋置預(yù)埋件，從而大大簡(jiǎn)化蜂窩板的生產(chǎn)工藝流程。

圖1 采用3D打印技術(shù)后的蜂窩板生產(chǎn)設(shè)想圖

隨著3D打印技術(shù)的迅速發(fā)展，金屬、碳纖維及其他材料的混合打印技術(shù)也會(huì)很快問世，不僅現(xiàn)有的蜂窩板可以用3D打印機(jī)一體加工，星上的一些功能性部件，如電纜、電路板、天線等，也都可以“打印”在蜂窩板夾層內(nèi)，如圖1所示。屆時(shí)，蜂窩板即是結(jié)構(gòu)件，也是功能性部件，從而提高衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的承載比。3D打印與傳統(tǒng)制造生產(chǎn)蜂窩板的比較見表2。

表2 3D打印與傳統(tǒng)制造生產(chǎn)蜂窩板的比較

3.1.2 桁架一體成型

桁架式遙感衛(wèi)星平臺(tái)具有壽命長(zhǎng)、承載能力大、結(jié)構(gòu)重量輕、構(gòu)型可重組、對(duì)地面可擴(kuò)展，可以提供靈活的有效載荷安裝面，拆卸調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)，因而，將桁架作為衛(wèi)星結(jié)構(gòu)主承力構(gòu)件已越來越普遍。美國(guó)的World View-1/2，Quick Bird、OrbView-3/5、Ikonos-2、HS702，以及法國(guó)的Pleiades等都是采用桁架作為衛(wèi)星主承力結(jié)構(gòu)。

桁架結(jié)構(gòu)由接頭和桿組成，為保證安裝精度，接頭要求加工精度高，安裝過程中需要不斷地調(diào)試，花去了大量的時(shí)間和精力。圖2所示為桁架傳統(tǒng)生產(chǎn)方式與3D打印的比較。采用3D打印技術(shù)后桁架可一體成型，無需接頭?？s短了桁架加工時(shí)間，還不需要組裝。

圖2 桁架兩種生產(chǎn)方式比較

3.1.3 衛(wèi)星貯箱一體成型

貯箱是衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)的核心部件。主要有2種，一種為表面張力貯箱，一種為金屬膜貯箱。傳統(tǒng)的貯箱制造工藝復(fù)雜，周期長(zhǎng)，費(fèi)用高昂。圖3所示為貯箱制造工藝流程示意圖。貯箱需要分成好多瓜瓣去模壓，再埋入管理裝置、加強(qiáng)結(jié)構(gòu)以及管路等裝置，最后拼焊出來。產(chǎn)品質(zhì)量與焊接質(zhì)量息息相關(guān)。

圖3 貯箱傳統(tǒng)制造工藝流程

若采用3D打印技術(shù)，則可將貯箱內(nèi)部裝置事先裝配好，再打印貯箱殼，不僅不需要焊接，沒有焊縫質(zhì)量問題，還不需要模壓，節(jié)省了大量材料。

若能有混合金屬、碳纖維及其他材料的的3D混合打印技術(shù)問世，貯箱的制造過程還可進(jìn)一步簡(jiǎn)化，即事先不需要任何管內(nèi)裝置的成品，只需給3D打印設(shè)備提供制造這些成品的原材料即可。圖4所示為采用3D打印技術(shù)后的貯箱一體成型流程圖。

圖4 貯箱3D打印流程

對(duì)3D打印和傳統(tǒng)方法生產(chǎn)貯箱的比較見表3。

表3 不同方法生產(chǎn)出的貯箱

3.2 大型天線在軌制造

航天產(chǎn)品最終都要送入太空?qǐng)?zhí)行特定的任務(wù)，在一些特殊的任務(wù)背景下，地面制造產(chǎn)品再發(fā)射入軌遠(yuǎn)不如在軌制造經(jīng)濟(jì)、及時(shí)、便捷。零部件的強(qiáng)度和剛度不需要做得像地面制造時(shí)那么強(qiáng)，因?yàn)椴挥贸惺苓\(yùn)載火箭發(fā)射時(shí)的環(huán)境應(yīng)力，還可以有效地解決整流罩容積限制航天器自身質(zhì)量及壓縮折疊狀態(tài)下的形狀問題[10]。因此，設(shè)計(jì)可大大簡(jiǎn)化，質(zhì)量更輕，并且省去了太空環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的花費(fèi)，避免了發(fā)射過程中的風(fēng)險(xiǎn)。如果關(guān)鍵部件發(fā)生故障，便可以在幾小時(shí)內(nèi)完成更換，而不需要等待數(shù)周或數(shù)月。

為對(duì)奔向月球的嫦娥二號(hào)進(jìn)行測(cè)控，我國(guó)動(dòng)用了4臺(tái)VLBI（Ground VLBI, GVLBI）望遠(yuǎn)鏡組成一張直徑3000km的大網(wǎng)負(fù)責(zé)對(duì)嫦娥二號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

隨著我國(guó)深空探測(cè)活動(dòng)的迅速發(fā)展，火星探測(cè)活動(dòng)也即將開展。屆時(shí)，對(duì)探測(cè)器的觀測(cè)網(wǎng)會(huì)更大，觀測(cè)分別率也會(huì)更高。而地基VLBI觀測(cè)的最長(zhǎng)基線無法超過地球的直徑，若將VLBI望遠(yuǎn)鏡（衛(wèi)星）送入太空，則可提高基線長(zhǎng)度，獲得更大的觀測(cè)網(wǎng)和更高的觀測(cè)分辨率。

目前，為獲取足夠的信號(hào)強(qiáng)度，國(guó)外發(fā)射上天的VLBI天線口徑為8～10m不等，我國(guó)正在研制的VLBI天線口徑也在10m左右。而我國(guó)運(yùn)載的整流罩凈包絡(luò)最大為CZ-5火箭的4.5m，無法直接將天線隨衛(wèi)星送入軌道，只能以折疊狀態(tài)固定在火箭發(fā)射艙中，且天線四周要有支撐，待入軌后再展開。這不僅增加了天線的研制成本，還極大地束縛了天線的設(shè)計(jì)。此外，隨著深空探測(cè)范圍的不斷增加，天線的口徑會(huì)變得越來越大，而運(yùn)載包絡(luò)不可能無限制地增加。

圖5 在軌打印大型天線設(shè)想圖

若采用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)大型天線的在軌制造，那么，一切問題便迎刃而解了。只需從地面將星載3D打印裝置和原材料送入太空，再通過合理的打印路徑規(guī)劃在空間中制造出大型天線，如圖5所示，就能擺脫現(xiàn)有運(yùn)載對(duì)大型天線外形包絡(luò)尺寸的限制，且不需考慮如何折疊設(shè)計(jì)放入火箭整流罩內(nèi)及結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的問題，還能節(jié)省經(jīng)費(fèi)。

大型天線在軌制造與地面制造發(fā)射升空的比較如表4所示。

表4 大型天線在軌制造與地面制造再升空的比較

4 結(jié)束語(yǔ)

NASA針對(duì)3D打印技術(shù)明確提出了近期發(fā)展超大結(jié)構(gòu)的在軌制造技術(shù)、中期發(fā)展旨在保障長(zhǎng)時(shí)空間載人探測(cè)任務(wù)的結(jié)構(gòu)制造等規(guī)劃[11]。鑒于我國(guó)3D打印技術(shù)和航天裝備制造現(xiàn)狀，我國(guó)空間飛行器3D打印技術(shù)的發(fā)展應(yīng)以中國(guó)航天白皮書和載人航天“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略任務(wù)為指引，以未來空間基礎(chǔ)設(shè)施、載人空間站建設(shè)、在軌維護(hù)及深空探測(cè)為潛在應(yīng)用背景，綜合考慮太空環(huán)境、發(fā)射以及在軌應(yīng)用等問題，建議近期聯(lián)合高校、有實(shí)力的3D打印服務(wù)商開展星上復(fù)雜、難加工零部件如蜂窩板、桁架和衛(wèi)星貯箱的3D打印預(yù)先研究；中期（5～10a）主要瞄準(zhǔn)載人空間站的在軌維護(hù)、大型天線及其他巨大結(jié)構(gòu)的軌打印研究；遠(yuǎn)期（10～15a）則以深空探索為應(yīng)用背景開展相關(guān)研究。

1 譚立忠，方芳. 3D打印技術(shù)及其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈應(yīng)用，2016(4)：1～7

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5 韓壽波，張義文，田象軍. 航空航天用高品質(zhì)3D打印金屬粉末的研究與應(yīng)用[J]. 粉末冶金工業(yè)，2017，27(6)：44～51

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10 楊延蕾，江煒. 在軌3D打印及裝配技術(shù)在深空探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 深空探測(cè)學(xué)報(bào)，2016，3(3)：282～287

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Application Research of 3D Printing in Spacecraft Development

Liu Fei Wang Wei Li Jinyue Liao Bo Xu Yaoyun

(Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109)

This paper briefly introduces the concept of 3D printing technology, describes in detail the current situation of 3D printing materials, equipment and its main application in aerospace. By comparing with traditional manufacturing, the advantages of 3D printing are summarized. The paper puts the emphasis on manufacturing of honeycomb panel, truss, large antennas and other spacecraft complex components and facilities, and an integral forming process and on-orbit manufacturing by using 3D printing are proposed. Considering the status of spacecraft equipment manufacturing and 3D printing technology capabilities, it is concluded that 3D printing research on complex and difficult-to-machine components of satellite could be carried out recently, then in the middle and long term, we should aim at on-orbit maintenance of manned space station and deep space exploration.

3D printing；honeycomb；panel truss；large antennas；integral forming process；on-orbit manufacturing；on-orbit maintenance

劉飛（1984），工程師，飛行器設(shè)計(jì)與工程專業(yè)；研究方向：衛(wèi)星構(gòu)型與布局設(shè)計(jì)。

2018-09-25