3D打印在航天智能制造中的应用

文|梁辉 西安航天复合材料研究所

一、3D打印成为推动航天智能制造的主线

作为第三次工业革命制造领域的典型代表技术，3D打印的发展时刻受到各界的广泛关注。3D打印技术具有高柔性、快速响应、制造成本与产品复杂程度关联性较小、适用材料广泛等特点，已成为推动智能制造的主线，在航天高端制造领域具有广阔的应用前景，主要集中在钛合金、铝锂合金、超高强度钢、高温合金等方面。随着3D打印技术向生物医疗、动力、能源等领域的推广，钴合金、铜合金、复合材料、梯度材料、非晶合金等材料的增材制造应用将越来越广泛。

2014年12月17日，美国商业公司研制的全球首台微重力3D打印机在国际空间站（ISS）依照美国国家航空航天局（NASA）从地面发送的设计文件打印出套筒扳手。3D打印技术已在卫星与火箭等航天制造领域显现出重要的发展价值和应用潜力。调查显示，3D打印技术在航空航天工业领域的应用份额已占全部应用领域的10%以上，未来有望用于制造国际空间站30%以上的备用部件。

二、3D打印火箭已获订单

蓝色起源公司（Blue Origin）和美国太空探索技术公司（SpaceX）都利用3D打印技术为其运载火箭建造一些部件和工具，但二者目前都仍然依赖传统的技术制造火箭的大部分部件。考虑到3D打印的组件具有更轻、更强、制造简便的优点，太空发射服务初创公司Relativity Space利用该技术建造符合期望的更便宜、更好的火箭，让火箭发射进入轨道的成本更低廉。该公司的核心任务是创造一个全新的、从根基上更优秀的制造和发射火箭的过程，努力将火箭设计和生产过程自动化，打印出尽可能多的火箭部件。

目前Relativity Space公司正在开发一个将软件、机器学习、冶金和世界上最大的金属3D打印机结合在一起的平台——“星际之门”（Stargate）。该公司目前拥有的专利打印头（printheads）、软件和金属沉积工艺，可以让“星际之门”制作直径约3m，高约6m的部件，而且比传统的3D打印机快20～30倍。公司可以在30天内制造出一个高约30m、宽约2m的火箭，所有的部件都由3D打印而成。一旦零件打印出来，其目标是在下一个30天内完成组装、测试、集成和发射。因此，有望在60天内从原材料起步制造出完整的火箭。目前，该公司正在使用“星际之门”制造运载火箭Terran 1，以及火箭发动机Aeon 1（图1）。

图1 Relativity Space公司3D 打印的火箭发动机Aeon 1

2019年4月5日，Relativity Space公司宣布同加拿大电信卫星公司（Telesat）签约。Relativity Space公司将承担电信卫星低轨宽带卫星星座的部分发射任务，使用该公司目前正在研制的采用3D打印技术的小运载火箭，发射任务起始时间不早于2021年。

三、3D打印技术在我国航天领域已成功应用

2015年4月，应用3D打印技术研制的某型号发动机点火装置成功通过发动机地面试车考核，标志着3D打印技术首次在固体火箭发动机试车上成功应用。发动机点火装置壳体结构复杂，加工成本高，周期长，难度大，为了解决这些瓶颈问题，科研人员将3D打印技术引入到点火装置壳体研制过程中，并联合国内3D打印设备厂商打印了首批点火装置壳体。

2016年初，国家某3D打印制造技术推广应用项目—激光选区熔化成形技术（即一种3D打印技术在某涡轮泵上的应用研究）顺利通过现场测试验收。该项目以新型航天发动机涡轮泵研制为背景，针对核心零件油冷涡轮叶片轴转子开展3D打印技术工程应用研究，突破了盘轴叶片一体化主动冷却结构设计、转子类零件激光选区熔化成形等关键技术，解放了传统工艺对结构设计的束缚，实现了复杂狭长内通道转子类结构设计制造，使结构的换热冷却效果提升了90%，有效解决了涡轮泵高温热防护技术难题，产品顺利通过高温考核试验。该项目在国内首次实现了3D打印技术在转子类零件上的应用，研究成果也推广应用到航天发动机其它关键零部件的研制，突破了复杂异型薄壁轴承座、中空薄壁主动冷却喷管与细长薄壁内流道喷嘴等产品的制造技术瓶颈，实现发动机关键结构的快速制造，显著提升了航天发动机综合性能。

2018年6月14日，探月工程嫦娥四号中继通信卫星“鹊桥”成功抵达地月L2点Halo轨道，该卫星上搭载了采用3D打印技术研制的多个复杂形状铝合金结构件，标志着采用3D打印技术的型号产品首次实现在轨应用，开启了3D打印技术在型号工程化应用的新纪元。“鹊桥”卫星上的3D打印零件产品全部经过拓扑优化构型，通过与轻量化设计技术的结合，零件重量大幅降低，承载比有效提升，3D打印的技术优势得到充分发挥。

四、结语

3D打印技术在航天领域被广泛应用的现状表明,在地面上采用3D打印技术制造某些航天零部件可降低成本、缩短周期，有助于设计研发具有新功能、新结构的零部件，提高结构可靠性，还可带动相关产业链的发展。

3D打印正处于技术发展的井喷期，近几年国内有很多创新，使非金属制造的效率提高了几十倍，金属制造的效率也提高了近十倍。同时，3D打印也正处于产业发展的起步期，很多企业逐步进入这个领域，普遍认为3D打印是值得挖掘的金矿。