3D打印在航天智能制造中的應用

文|梁輝 西安航天復合材料研究所

一、3D打印成為推動航天智能制造的主線

作為第三次工業革命制造領域的典型代表技術，3D打印的發展時刻受到各界的廣泛關注。3D打印技術具有高柔性、快速響應、制造成本與產品復雜程度關聯性較小、適用材料廣泛等特點，已成為推動智能制造的主線，在航天高端制造領域具有廣闊的應用前景，主要集中在鈦合金、鋁鋰合金、超高強度鋼、高溫合金等方面。隨著3D打印技術向生物醫療、動力、能源等領域的推廣，鈷合金、銅合金、復合材料、梯度材料、非晶合金等材料的增材制造應用將越來越廣泛。

2014年12月17日，美國商業公司研制的全球首臺微重力3D打印機在國際空間站（ISS）依照美國國家航空航天局（NASA）從地面發送的設計文件打印出套筒扳手。3D打印技術已在衛星與火箭等航天制造領域顯現出重要的發展價值和應用潛力。調查顯示，3D打印技術在航空航天工業領域的應用份額已占全部應用領域的10%以上，未來有望用于制造國際空間站30%以上的備用部件。

二、3D打印火箭已獲訂單

藍色起源公司（Blue Origin）和美國太空探索技術公司（SpaceX）都利用3D打印技術為其運載火箭建造一些部件和工具，但二者目前都仍然依賴傳統的技術制造火箭的大部分部件。考慮到3D打印的組件具有更輕、更強、制造簡便的優點，太空發射服務初創公司Relativity Space利用該技術建造符合期望的更便宜、更好的火箭，讓火箭發射進入軌道的成本更低廉。該公司的核心任務是創造一個全新的、從根基上更優秀的制造和發射火箭的過程，努力將火箭設計和生產過程自動化，打印出盡可能多的火箭部件。

目前Relativity Space公司正在開發一個將軟件、機器學習、冶金和世界上最大的金屬3D打印機結合在一起的平臺——“星際之門”（Stargate）。該公司目前擁有的專利打印頭（printheads）、軟件和金屬沉積工藝，可以讓“星際之門”制作直徑約3m，高約6m的部件，而且比傳統的3D打印機快20～30倍。公司可以在30天內制造出一個高約30m、寬約2m的火箭，所有的部件都由3D打印而成。一旦零件打印出來，其目標是在下一個30天內完成組裝、測試、集成和發射。因此，有望在60天內從原材料起步制造出完整的火箭。目前，該公司正在使用“星際之門”制造運載火箭Terran 1，以及火箭發動機Aeon 1（圖1）。

圖1 Relativity Space公司3D 打印的火箭發動機Aeon 1

2019年4月5日，Relativity Space公司宣布同加拿大電信衛星公司（Telesat）簽約。Relativity Space公司將承擔電信衛星低軌寬帶衛星星座的部分發射任務，使用該公司目前正在研制的采用3D打印技術的小運載火箭，發射任務起始時間不早于2021年。

三、3D打印技術在我國航天領域已成功應用

2015年4月，應用3D打印技術研制的某型號發動機點火裝置成功通過發動機地面試車考核，標志著3D打印技術首次在固體火箭發動機試車上成功應用。發動機點火裝置殼體結構復雜，加工成本高，周期長，難度大，為了解決這些瓶頸問題，科研人員將3D打印技術引入到點火裝置殼體研制過程中，并聯合國內3D打印設備廠商打印了首批點火裝置殼體。

2016年初，國家某3D打印制造技術推廣應用項目—激光選區熔化成形技術（即一種3D打印技術在某渦輪泵上的應用研究）順利通過現場測試驗收。該項目以新型航天發動機渦輪泵研制為背景，針對核心零件油冷渦輪葉片軸轉子開展3D打印技術工程應用研究，突破了盤軸葉片一體化主動冷卻結構設計、轉子類零件激光選區熔化成形等關鍵技術，解放了傳統工藝對結構設計的束縛，實現了復雜狹長內通道轉子類結構設計制造，使結構的換熱冷卻效果提升了90%，有效解決了渦輪泵高溫熱防護技術難題，產品順利通過高溫考核試驗。該項目在國內首次實現了3D打印技術在轉子類零件上的應用，研究成果也推廣應用到航天發動機其它關鍵零部件的研制，突破了復雜異型薄壁軸承座、中空薄壁主動冷卻噴管與細長薄壁內流道噴嘴等產品的制造技術瓶頸，實現發動機關鍵結構的快速制造，顯著提升了航天發動機綜合性能。

2018年6月14日，探月工程嫦娥四號中繼通信衛星“鵲橋”成功抵達地月L2點Halo軌道，該衛星上搭載了采用3D打印技術研制的多個復雜形狀鋁合金結構件，標志著采用3D打印技術的型號產品首次實現在軌應用，開啟了3D打印技術在型號工程化應用的新紀元。“鵲橋”衛星上的3D打印零件產品全部經過拓撲優化構型，通過與輕量化設計技術的結合，零件重量大幅降低，承載比有效提升，3D打印的技術優勢得到充分發揮。

四、結語

3D打印技術在航天領域被廣泛應用的現狀表明,在地面上采用3D打印技術制造某些航天零部件可降低成本、縮短周期，有助于設計研發具有新功能、新結構的零部件，提高結構可靠性，還可帶動相關產業鏈的發展。

3D打印正處于技術發展的井噴期，近幾年國內有很多創新，使非金屬制造的效率提高了幾十倍，金屬制造的效率也提高了近十倍。同時，3D打印也正處于產業發展的起步期，很多企業逐步進入這個領域，普遍認為3D打印是值得挖掘的金礦。