航天領域增材制造技術由地面制造向太空制造拓展

文|陳怡 賈平 袁培培 蔣疆 祁俊峰

1.北京衛星制造廠有限公司 2.中國航天系統科學與工程研究院

近年來，增材制造技術（AM）越來越多地用于航天器零部件的地面制造，采用激光選區熔化成形、熔融沉積成形、激光選區燒結成形、電子束/電弧熔絲成形等增材制造技術制備的發動機匯分流機架、渦輪泵葉輪、常平環、俯仰框、電纜罩、熱電池支架、鈦合金內流道閥體、衛星貯箱、熱控相變板、鈦合金斜撐支架、鈦合金主承力大底結構等產品，已經通過了地面測試和各項環境考核，逐步應用于空間站、深空探測、運載火箭、衛星結構等領域。近年來，美國國家航空航天局（NASA）和歐洲航天局（ESA）相繼研制出適應微重力環境的增材制造裝備，并送往國際空間站（ISS）進行了空間打印試驗，開展了空間站內部補給、維護維修、材料回收利用等技術研究，并對空間站大型結構在軌建造進行了增材制造設備的地面試驗，標志著增材制造技術在地面蓬勃發展的同時，開始向太空拓展。

一、增材制造技術的概念和分類

增材制造技術，又稱“3D打印技術”，是基于“分層切片+逐層堆積”的思想，根據三維模型數據，采用離散材料（液體、粉末、絲、片、板、塊等）逐層累加原理制造實體零件的技術。增材制造設備通常由高精度機械系統、數控系統、噴射/熔融/沉積系統和成形環境等子系統構成。相對于傳統的材料去除技術（如切削等），增材制造是一種自下而上材料累加的制造工藝。

增材制造技術的分類方法較多。按原材料的不同，可分為金屬、聚合物、復合材料/功能材料的增材制造技術；按能量發生源的不同，可分為激光束、電子束、等離子束、電弧增材制造技術；按照材料供給方式的不同，可分為預置材料式和同步供給材料式增材制造技術。目前常見的成形方法有激光選區成形（SLS/SLM）、液態光固化成形（SLA）、熔融沉積成形（FDM）、激光沉積成形（LMD）等。

增材制造技術不受零件形狀和結構的約束，相對于傳統減材制造，這種方式給予設計更大的自由度，而且以其快速便捷的實現效果，對產品的原型設計、方案驗證、模樣展示、個性化定制等產生了巨大效益。從民用產品發展到航空航天領域，增材制造在設計、材料、裝備、工藝和檢測等方面對產品精度和性能提出了更高的要求。在航天應用產品的高品質需求下，增材制造的技術體系可分解為四個方面：基于輕量化的增材制造結構設計技術、面向航天應用需求的專用材料技術、適用于航天產品的專用裝備和工藝技術，以及基于增材制造的航天器產品檢測與評價技術。

二、增材制造技術在航天領域應用面臨的技術難點

增材制造技術在航天器領域應用主要有兩個方面：地面增材制造（For Space）和太空增材制造（In Space）。兩種方式的制造環境不同，因而對上述技術體系的需求也不盡相同。地面增材制造是在地面開展航天器和火箭零部件結構的制造和工程應用，目前主要集中于鈦合金、鋁合金、高溫合金等金屬材料，典型的成形工藝有激光選區熔化成形工藝和激光直接熔化成形工藝，可以獲得達到型號產品應用條件的性能和質量。太空增材制造是在國際空間站內外、太空真空環境以及月球、火星等行星表面開展的航天器零部件以及大型結構在軌制造，目前主要集中于高性能聚合物、纖維增強復合材料，主要采用熔融沉積成形、連續擠出成形等工藝。太空增材制造技術可以實現航天器結構、空間站備品/備件、專用工具和空間大型結構的按需/應急快速制造，從而達到節約上行成本，節省航天器內部儲存空間，優化改善空間服務的目的。

增材制造技術在航天領域應用面臨的技術難點表現在以下幾方面。

一是缺乏基于增材制造的專用設計方法。目前航天器結構形式主要基于傳統加工方法進行設計，零件產品結構未被充分優化，依據原始模型進行增材制造的零件質量和性能未得到充分發揮，缺乏能夠發揮增材制造技術優勢的拓撲優化設計、傳力路徑優化設計、自支撐設計等方法。

二是適用于航天器結構的高性能增材制造原材料不足。目前能夠用于激光選區熔化成形工藝的金屬材料種類不多，而且加工工藝對金屬粉末的粒徑要求較高，流動性好的球形金屬粉末（20～100μm）加工困難，價格昂貴。用于熔融沉積成形的復合材料原絲，尤其是連續碳纖維增強聚醚醚酮等高性能熱塑性復合材料（纖維含量50%以上）市場規格有限，界面性能不足，影響增材制造產品的性能。

三是高集成度復雜結構成形工藝有待于進一步研究。受激光光斑直徑和增材制造階梯效應的限制，微米級精細結構難以直接成形；由于冷卻不均產生的熱應力易造成零件在弱剛性或弱連接處產生較大變形甚至開裂 ；受重力場影響，外形尺寸在1m以上、力學性能要求高的懸臂類特征零件難以直接成形。多種材料、多種結構的復合薄壁件，需要突破異種材料界面結合、內部缺陷識別與檢測等技術難點。

四是太空增材制造技術需克服太空微重力和輻射環境的影響。地面增材制造受重力影響，粉體和液態材料易于控制，成形精度可控。在太空微重力環境下，粉塵狀材料漂浮難控且易爆，液態材料受表面張力影響容易形成“球聚”現象，影響材料層間結合強度。送往國際空間站的太空打印機選用的是熔融沉積成形工藝，以聚乳酸（PLA）絲材為原材料，通過打印頭的局部加熱，材料熔化沉積成形。但是，在地面可用于熔融沉積成形的工程塑料、光敏樹脂、尼龍等高分子塑料不能直接用于空間環境，需要解決揮發性、放氣性、老化、降解、空間輻射等問題。

三、增材制造技術在航天領域應用進展

地面增材制造技術水平不斷提高，已大量用于鈦合金、鋁合金、鈦鋁合金、高溫合金以及陶瓷材料的復雜零部件的制造。太空增材制造技術被用于小尺寸非金屬零部件和產品的制造，方興未艾。

1.地面增材制造技術不斷突破，大量用于航天器零部件制造

基于高溫穩定陶瓷材料的增材制造技術取得突破。航天器在再入大氣層高速飛行等情況下對防隔熱材料要求較高，陶瓷材料具有高溫穩定性、低揮發性、高強度、高穩定等特性，已大量用于航天抗高溫零部件的制造。2016年，美國加州大學研發出使用增材制造工藝制造耐高溫陶瓷的方法，產出的高強度、不易碎材料可用于制成復雜、彎曲和多孔結構。俄羅斯托木斯克國立大學研發出用于航空航天等領域的新型高溫增材制造陶瓷設備，精度可達幾十微米，結構強度與鋼鐵或合金相當。

火箭發動機燃燒室、推力室結構、噴嘴、渦輪泵等零部件增材制造的研究成為熱點。這些零部件的結構復雜、生產周期長、成本高，采用增材制造技術在提升產品性能、縮短周期和降低研制成本等方面具有明顯優勢。例如，采用傳統工藝制造噴嘴需用時1年多，而采用增材制造技術制造噴嘴用時則不到4個月，且成本可降低70%。美國NASA、軌道ATK公司（Orbital ATK）、洛克達因公司（Aerojet Rocketdyne）等采用激光選區熔化成形工藝對火箭發動機的燃燒室、渦輪泵、噴嘴等關鍵零部件進行一體化制造，并成功完成多次點火試驗（圖1）。軌道ATK公司對采用激光選區熔化成形工藝制造的超燃沖壓發動機燃燒室進行了多次點火試驗。火箭發動機燃料泵有數百個零件（圖2），其中包括轉速超過90000轉/min的渦輪機。這個渦輪泵采用增材制造技術一體化完成，比傳統機械加工制造減少了45%的零件。

圖1 采用增材制造技術的火箭發動機燃燒室點火試驗

圖2 采用增材制造技術打印的燃料泵

增材制造技術也逐漸應用在衛星立方體結構、天線結構、熱控相變板、鈦合金斜撐支架、鈦合金主承力大底結構等航天器零部件的地面制造中。熱控相變板是典型的衛星功能集成產品，采用傳統相變/石墨復合材料結構，產品質量為400g，結構重量為280g，工質填充率低于30%，制造周期超過45天；采用AlSi10Mg激光選區熔化成形工藝制備，產品質量保持400g，結構部分質量123g，減重超過55%；工質填充率不低于65%，制造周期不超過5天。該產品已通過了沖擊試驗、振動試驗、正壓檢漏試驗、無損檢測和產品性能檢測。某設備支架采用傳統機械加工工藝，產品質量1.1kg，頻率100Hz；采用拓撲優化設計后激光選區熔化成形工藝制備，結構質量減少到430g，減重超過60%，頻率不低于110Hz，通過地面試驗。

2.太空增材制造技術開始在國際空間站制造實用產品，適用于艙外和行星表面的技術正在進行地面試驗

美國太空制造公司（Made In Space）于2014年在國際空間站上完成首臺太空增材制造設備驗證后，于2016年開始部署和運行實用型增材制造設備（圖3）。該設備采用熔融沉積成形工藝、能以30多種聚合物為原材料，為國際空間站制造所需實用物品以及在地面難造出的高質量物品（圖4）。該公司將對零重力增材制造設備進行更新換代，開發附帶太空材料回收裝置，以空間站上的廢舊材料等用作增材制造原材料，減少空間站上廢料數量和空間站對地面運送原料的需求。太空制造公司研發的增材制造設備升級版打印機已采用航天用熱聚合物在真空艙內制造出多個測試件，證明了在國際空間站外的完全真空環境下采用增材制造技術的可行性。2019年初，由系繩無限公司（Tethers Unlimited）研制的可回收利用聚合物的增材制造設備Refabricator被安裝到國際空間站。2018年，德國聯邦材料測試研究所（BAM）通過拋物線飛行實驗模擬微重力環境下金屬材料的增材制造，采用預制鋪粉模式打印了大寫字母B，推動金屬激光選區熔化成形工藝在太空應用的技術發展。

圖3 國際空間站部署的實用型增材制造設備

圖4 空間3D打印的結構樣件

此外，英國蒙諾萊特公司（Monolite）研制了基于D-shape技術的增材制造設備，用于實現在行星基地建造穹頂建筑。ESA也正在研究如何在月球上實現利用太空增材制造技術建造建筑物。

3.太空增材制造技術用于空間機器人在軌建造大型結構件是重要發展方向

太空增材制造技術將與空間機器人技術結合，用于在軌制造大型空間結構。系繩無限公司采用具有太空增材制造功能的空間機器人制造航天器集群桁架結構，已在實驗室進行試驗。2017年，該項目完成地面熱真空試驗，制造并裝配出長30多米的航天器構件，向在軌制造和裝配大型空間結構邁出重要一步，有望推動大型空間結構制造、運載、組裝方式的變革。NASA還提出通過“太空建筑師”（Archinaut）項目在空間站外安裝采用增材制造技術的空間機器人（圖5）。

圖5 “太空建筑師”項目設想圖

四、增材制造技術在航天領域應用發展趨勢

航天產品與民用產品不同，對于增材制造技術的應用更強調產品的應用特色，具體包括：單件個性化、極致輕量化特點，異常復雜結構的點陣、鏤空、變截面等特點，結構/功能一體化、高集成度特點，以及太空環境適應性要求的特點。結合近年來的發展，增材制造技術在航天領域的應用呈現出以下發展趨勢。

1.單件、小批量快速、低成本

航天產品零部件制造屬于單件小批量研制生產模式，與其他傳統制造技術相比，采用增材制造技術的產品具有設計自由度寬泛、易于與其他制造技術集成的特點。增材制造技術尤其適合制造單件、小批量、個性化零部件，且可大幅縮短產品研發時間、降低研發成本。隨著制造設備和粉末、絲等原材料的價格降低，增材制造的低成本快速研制優勢更加明顯。

2.復雜/功能一體化

衛星支架、桁架接頭、節點球等構件制造工藝復雜，加工難度大，運用增材制造技術，借助高能束對粉末原材料進行熔化、堆積，可實現材料逐層添加。零件成形后的機械加工余量小、材料利用率高、生產周期短，加工過程即實現結構件“近凈成形”，零件的制造流程大幅簡化。增材制造技術還可用于結構功能一體化零件成形，如可以在復合材料結構中嵌入傳感器、熱管和電子元器件等功能元件，減小復合材料功能構件的質量和結構尺寸。

增材制造技術理論上能成形任意復雜的形狀，因而能解放航天器結構工程師的設計理念，使其在輕量化結構、功能化結構、一體化結構設計等方面拓展設計思路，大膽設計各種新概念結構。

3.太空運載器備品備件“即需即造”

長期在軌服役航天器的部分零部件存在磨損、老化、性能降低乃至失效的風險，為此需攜帶大量備品備件用于修復或替換受損零部件，不僅增加運載器載重和航天器上行成本，而且占用空間站內部儲存空間。通過太空增材制造技術可實現航天器修復或替換用零部件、空間站應急所需工具在太空環境的“即需即造”，顯著降低運載載重，節約任務成本，同時節省航天器和空間站內部貯存空間，避免任務耽誤或失敗。

4.大型空間結構的在軌制造

受運載火箭整流罩包絡所限，桁架、天線等大型結構通常以折疊收攏狀態發射，入軌后展開，而折疊收攏對展開機構和折疊方式要求較高，且結構尺寸仍然受限。太空增材制造技術將改變傳統大型結構設計制造理念，通過在太空直接制造的方式，有效拓展大型結構的空間尺寸和結構設計的可能性。

五、結束語

當前增材制造技術發展迅速，激光選區熔化成形、激光熔融沉積成形、電弧增材制造、多材料混合的結構電子一體化成形、高強高耐熱聚合物熔融沉積成形等增材制造技術，在運載火箭、導彈武器、衛星支架、空間站、民用產品等領域中應用逐步擴展。隨著空間站艙內環境和艙外環境專用3D打印機的發展，除了增材制造技術之外，空間力學、空間結構學、空間材料學、空間設計學、空間檢測學等交叉學科的應用更加突出，未來航天領域的增材制造應用將是多技術的融合體。