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    2014年12月17日，美國商業(yè)公司研制的全球首臺微重力3D打印機在“國際空間站”依照美國航空航天局從地面發(fā)送的設計文件打印出套筒扳手。3D打印機未來有望用于制造“國際空間站”30%以上的備用部件。 近年，美、歐、日等國家或組織積極開展了3D打印技術（又稱增材制造技術）在航天領域的研究與應用。盡管目前在太空中進行3D打印尚處于試驗驗證階段，但已規(guī)劃與實施的諸多在地面上進行增材制造的項目表明：3D打印技術已在衛(wèi)星與火箭等航天制造領域顯示出重要的發(fā)展價值和應用潛力。調(diào)查顯示，其在航空航天工業(yè)領域的應用份額已占全部應用領域的10%以上。

　　在國外航天領域的應用現(xiàn)狀及趨勢

　　應用現(xiàn)狀

　　目前，3D打印技術在衛(wèi)星領域尚處于簡單機電系統(tǒng)的建造和評估階段。其主要成果包括：采用3D打印技術制造的2U立方體衛(wèi)星—“快速成型微機電推進和輻射試驗”（RAMPART）的平臺模塊，實現(xiàn)了將標準的與定制的太陽電池板、布線和測壓元件的插板模塊混合制造；第一個采用3D打印技術、具有完備功能的航天發(fā)動機微型推進系統(tǒng)AMPS-H，完成了將結構和燃料混合制造為一體的部件；美國高校在2013年底首次采用3D打印技術進行立方體衛(wèi)星簡單電子設備的制造；美國噴氣推進實驗室與紅眼公司合作，于2014年11月打印出氣象、電離層和氣候星座觀測系統(tǒng)-2（COSMIC-2）衛(wèi)星的功能天線陣結構。

　　3D打印技術已用于推進系統(tǒng)精密零部件的制造。美國航空噴氣-洛克達因公司與美國格倫研究中心及馬歇爾航天飛行中心，近兩年已針對通過3D打印技術生產(chǎn)的火箭發(fā)動機噴嘴在3316℃高溫下進行了一系列點火試驗。在此基礎上，航空噴氣-洛克達因公司已分別于2014年6月和12月對采用3D打印技術生產(chǎn)的Baby Bantam火箭發(fā)動機和MPS-120立方星高比沖自適應模塊化推進系統(tǒng)進行了點火試驗。較精密的發(fā)動機噴嘴的點火試驗成功標志著3D打印技術在航天領域的應用由研發(fā)階段向工程化應用邁進了一步。

　　應用趨勢

　　（1）進一步開展大尺寸和金屬航天零部件的制造 大尺寸航天零部件的3D打印技術因受限于打印設備體積等因素的限制而處于應用起步階段。美國洛馬公司與紅眼公司已利用3D打印技術造出2個衛(wèi)星的大型燃料貯箱模擬器；航空噴氣-洛克達因公司也已在2014年8月被美國空軍基地授予了液體火箭發(fā)動機大尺寸零部件的3D打印合同，標志著使用該技術或可造出更多種大尺寸航天器零部件。日本宇宙航空研究開發(fā)機構（JAXA）宣布擬在2015年為一枚大型試驗火箭（將于2020年發(fā)射）研發(fā)出制造高級金屬零部件的3D打印機。 （2）太空中的應用進入在軌試驗階段 在太空平臺上應用3D打印技術具有諸多獨特優(yōu)勢，例如可就地取材，節(jié)約運輸成本。美國華盛頓州立大學已成功利用激光將仿月球巖石材料熔化，用于制造小型科研衛(wèi)星零部件；美國航空航天局已于2014年9月將首臺零重力3D打印機送到“國際空間站”，打印出首個物體（該3D打印機的面板）；歐洲航天局和歐盟也設立了邁向零廢棄物和高科技金屬產(chǎn)品的高效生產(chǎn)的增材制造（AMAZE）項目，旨在將第一臺3D金屬打印機運至“國際空間站”；歐洲航天局亦擬于2015年將歐洲第一臺非金屬3D打印機安裝到“國際空間站”。

　　在航天領域應用的優(yōu)勢與潛在價值

　　3D打印技術的優(yōu)勢

　?。?）降低成本，縮短周期 采用3D打印技術可以大幅降低航天零部件的研制成本、縮短研制周期。美國采用3D打印技術打印了多個“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）重型火箭發(fā)動機的零部件：用3D打印技術制造RS-25發(fā)動機的彈簧Z隔板僅需9天；制造排氣孔蓋的成本比傳統(tǒng)方法降低65%；制造噴嘴用時不到4個月，成本可降低70%，而用傳統(tǒng)工藝制造噴嘴需要1年多。

　?。?）提高零部件性能，提升設計空間 采用3D打印技術可以實現(xiàn)零部件的整體制造，無需焊接、鉚接等組裝工藝，減少零部件數(shù)量，從而提高零部件的結構強度、完整性和可靠性等性能，洛馬公司正努力采用3D打印技術將A2100衛(wèi)星平臺現(xiàn)有10%的3D打印零件比例增至2017年的50%；同時也有利于設計出更復雜、采用傳統(tǒng)工藝無法制造的航天器零部件。

　　在太空中應用的潛在價值

　?。?）在軌航天器的維修和零部件替換及實現(xiàn)航天器自我復制 通過“國際空間站”等太空平臺進行3D打印，將其與美國航空航天局的“鳳凰計劃”結合，可根據(jù)需要直接在太空中制造出需要替換的老化和損壞的航天器零部件，無需再通過火箭發(fā)射到太空；采用3D打印輔助“蜘蛛制造”（SpiderFab），有助于實現(xiàn)航天器的自我復制。（2）在太空中循環(huán)再利用打印材料如果太空中的3D打印技術能將太空中的材料回收再利用，則可能有助于緩解目前的物流和操作問題，減少太空垃圾。（3）在地外星體表面建造基地和設備 如果能用地外星體上的材料建造3D打印基地和所需設備，實現(xiàn)3D打印設備在外太空的自我復制，可為月球基地或其他星球基地的建設提供幫助。（4）建造難以在地球上制造或難以從地球上運輸?shù)慕Y構 通過在軌建造不便在地球制造或運輸?shù)拇笮徒Y構系統(tǒng)，能降低結構對拉伸強度的要求，不需考慮火箭發(fā)射振動和加速度對結構的影響，還可避免衛(wèi)星質(zhì)量超出標準，解決火箭整流罩容積對有效載荷的限制問題。

　　面臨的挑戰(zhàn)與應對措施

　　制造精度有待提高

　　大規(guī)模生產(chǎn)效率不高采用不同3D打印技術工藝和設備最終會造出不同精度級別的零部件。光束或加工的方向會導致零部件中產(chǎn)生熱應力，影響零部件的制造精度。光束與粒子的分辨率也會對熱傳導和熱應力產(chǎn)生影響，從而影響零部件的集成。 目前的3D打印技術還不適于大規(guī)模生產(chǎn)，部分原因是每種設備只配有定制的單一工藝和幾種限定材料，工業(yè)級3D打印設備價格較貴；又沒有統(tǒng)一的規(guī)范進行標準化約束，加上制造精度的不足，將影響產(chǎn)品的可復制性。 為解決這些問題，3D打印的設備性能與工藝性能都需要提升。例如，研發(fā)閉合回路工藝控制系統(tǒng)來檢測和反饋設備系統(tǒng)的多種參數(shù)；要想提高生產(chǎn)效率，需要開發(fā)出集多種材料、多種工藝于一身，集增材與減材工藝于一體的設備；研發(fā)出更多適合3D打印的材料；制定和采用健全的材料工藝標準和產(chǎn)品檢驗標準，有助于提高產(chǎn)品的可復制性，美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）和ISO技術委員會聯(lián)合發(fā)布的標準已被多數(shù)國家接受。

　　設計易被竊取

　　聯(lián)網(wǎng)的3D打印機易受黑客攻擊，有關的設計可能被竊取或篡改，而且3D打印技術特性也使原始零部件易被掃描復制。為防止航天零部件設計被竊取，3D打印技術需與賽博防御技術協(xié)同發(fā)展，同時知識產(chǎn)權也需相關政策法律的保護。傳統(tǒng)材料的局限等因素導致無法制造整機傳統(tǒng)材料的性能限制了3D打印的應用范圍，有礙電子元器件的制造，從而限制了航天器高性能零部件的制造。美國已通過微型3D打印技術開發(fā)了一種超輕、超高剛度金屬晶格材料，并將與以色列合作為增材制造研發(fā)石墨烯增強型材料，它有可能改變電子元器件的制造方式。美國空軍研究實驗室（AFRL）開展的“即插即用衛(wèi)星平臺”（PnPSat平臺）項目，致力于實現(xiàn)電氣線束和分布網(wǎng)絡與航天飛行器結 構的集成。洛馬、諾格等公司和一些大學也在研究打印帶有電子導體的結構，以便將機電子系統(tǒng)集成到組件中。 電子元器件的制造技術與新材料研發(fā)是未來需重點突破的方向之一。將電氣線束與結構集成的技術是超越單純結構制造的重要進步，這項技術在研發(fā)成熟后將是增材制造飛行器整機和其子系統(tǒng)的重要突破。在太空平臺上應用面臨復雜太空環(huán)境的挑戰(zhàn)美國已著手在太空平臺上進行3D打印的評估和試驗，但是將面臨微重力、真空環(huán)境、熱環(huán)境、基礎設施建設、穩(wěn)定的制造平臺，還有電力系統(tǒng)等一系列的挑戰(zhàn)。除了設備必須體積小、質(zhì)量輕，可在太空環(huán)境下正常工作外，采用的工藝和材料也必須克服太空環(huán)境的復雜性。 在太空中或其他適用性未知的領域中應用3D打印前，有必要進行包括基礎設施費用和創(chuàng)造新功能價值在內(nèi)的效費比分析和風險評估，以及規(guī)劃發(fā)展路線。

　　結束語：3D打印技術在航天領域被廣泛應用的現(xiàn)狀表明：在地面上采用3D打印技術進行某些航天零部件的制造可降低成本、縮短周期，有助于設計研發(fā)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(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。然而，3D打印技術在太空中應用還需謹慎論證。尤其要處理好與傳統(tǒng)制造技術的關系，既要避免對傳統(tǒng)制造業(yè)造成負面沖擊，也要抓住可能變革制造工業(yè)的契機；以實現(xiàn)大型復雜結構、電子元器件的制造，以及大規(guī)模生產(chǎn)為未來發(fā)展方向，或可為航天工業(yè)乃至制造工業(yè)帶來巨大變革。我國要在3D打印技術蓬勃發(fā)展的浪潮中，緊跟發(fā)展潮流，進行前瞻性謀劃和部署，贏得航天裝備競爭乃至整個工業(yè)技術革命的主動權