文|陳怡 賈平 袁培培 蔣疆 祁俊峰

1.北京衛(wèi)星制造廠有限公司 2.中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院

近年來，增材制造技術(shù)（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(qū)熔化成形、熔融沉積成形、激光選區(qū)燒結(jié)成形、電子束/電弧熔絲成形等增材制造技術(shù)制備的發(fā)動(dòng)機(jī)匯分流機(jī)架、渦輪泵葉輪、常平環(huán)、俯仰框、電纜罩、熱電池支架、鈦合金內(nèi)流道閥體、衛(wèi)星貯箱、熱控相變板、鈦合金斜撐支架、鈦合金主承力大底結(jié)構(gòu)等產(chǎn)品，已經(jīng)通過了地面測(cè)試和各項(xiàng)環(huán)境考核，逐步應(yīng)用于空間站、深空探測(cè)、運(yùn)載火箭、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。近年來，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）和歐洲航天局（ESA）相繼研制出適應(yīng)微重力環(huán)境的增材制造裝備，并送往國(guó)際空間站（ISS）進(jìn)行了空間打印試驗(yàn)，開展了空間站內(nèi)部補(bǔ)給、維護(hù)維修、材料回收利用等技術(shù)研究，并對(duì)空間站大型結(jié)構(gòu)在軌建造進(jìn)行了增材制造設(shè)備的地面試驗(yàn)，標(biāo)志著增材制造技術(shù)在地面蓬勃發(fā)展的同時(shí)，開始向太空拓展。

一、增材制造技術(shù)的概念和分類

增材制造技術(shù)，又稱“3D打印技術(shù)”，是基于“分層切片+逐層堆積”的思想，根據(jù)三維模型數(shù)據(jù)，采用離散材料（液體、粉末、絲、片、板、塊等）逐層累加原理制造實(shí)體零件的技術(shù)。增材制造設(shè)備通常由高精度機(jī)械系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、噴射/熔融/沉積系統(tǒng)和成形環(huán)境等子系統(tǒng)構(gòu)成。相對(duì)于傳統(tǒng)的材料去除技術(shù)（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(shù)的分類方法較多。按原材料的不同，可分為金屬、聚合物、復(fù)合材料/功能材料的增材制造技術(shù)；按能量發(fā)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(shù)；按照材料供給方式的不同，可分為預(yù)置材料式和同步供給材料式增材制造技術(shù)。目前常見的成形方法有激光選區(qū)成形（SLS/SLM）、液態(tài)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(shù)不受零件形狀和結(jié)構(gòu)的約束，相對(duì)于傳統(tǒng)減材制造，這種方式給予設(shè)計(jì)更大的自由度，而且以其快速便捷的實(shí)現(xiàn)效果，對(duì)產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)、方案驗(yàn)證、模樣展示、個(gè)性化定制等產(chǎn)生了巨大效益。從民用產(chǎn)品發(fā)展到航空航天領(lǐng)域，增材制造在設(shè)計(jì)、材料、裝備、工藝和檢測(cè)等方面對(duì)產(chǎn)品精度和性能提出了更高的要求。在航天應(yīng)用產(chǎn)品的高品質(zhì)需求下，增材制造的技術(shù)體系可分解為四個(gè)方面：基于輕量化的增材制造結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、面向航天應(yīng)用需求的專用材料技術(shù)、適用于航天產(chǎn)品的專用裝備和工藝技術(shù)，以及基于增材制造的航天器產(chǎn)品檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)。

二、增材制造技術(shù)在航天領(lǐng)域應(yīng)用面臨的技術(shù)難點(diǎn)

增材制造技術(shù)在航天器領(lǐng)域應(yīng)用主要有兩個(gè)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(huán)境不同，因而對(duì)上述技術(shù)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(jié)構(gòu)的制造和工程應(yīng)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(qū)熔化成形工藝和激光直接熔化成形工藝，可以獲得達(dá)到型號(hào)產(chǎn)品應(yīng)用條件的性能和質(zhì)量。太空增材制造是在國(guó)際空間站內(nèi)外、太空真空環(huán)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(jié)構(gòu)在軌制造，目前主要集中于高性能聚合物、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，主要采用熔融沉積成形、連續(xù)擠出成形等工藝。太空增材制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)航天器結(jié)構(gòu)、空間站備品/備件、專用工具和空間大型結(jié)構(gòu)的按需/應(yīng)急快速制造，從而達(dá)到節(jié)約上行成本，節(jié)省航天器內(nèi)部?jī)?chǔ)存空間，優(yōu)化改善空間服務(wù)的目的。

增材制造技術(shù)在航天領(lǐng)域應(yīng)用面臨的技術(shù)難點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾方面。

一是缺乏基于增材制造的專用設(shè)計(jì)方法。目前航天器結(jié)構(gòu)形式主要基于傳統(tǒng)加工方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，零件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)未被充分優(yōu)化，依據(jù)原始模型進(jìn)行增材制造的零件質(zhì)量和性能未得到充分發(fā)揮，缺乏能夠發(fā)揮增材制造技術(shù)優(yōu)勢(shì)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)、傳力路徑優(yōu)化設(shè)計(jì)、自支撐設(shè)計(jì)等方法。

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

三是高集成度復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形工藝有待于進(jìn)一步研究。受激光光斑直徑和增材制造階梯效應(yīng)的限制，微米級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)難以直接成形；由于冷卻不均產(chǎn)生的熱應(yīng)力易造成零件在弱剛性或弱連接處產(chǎn)生較大變形甚至開裂 ；受重力場(chǎng)影響，外形尺寸在1m以上、力學(xué)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(jié)構(gòu)的復(fù)合薄壁件，需要突破異種材料界面結(jié)合、內(nèi)部缺陷識(shí)別與檢測(cè)等技術(shù)難點(diǎn)。

四是太空增材制造技術(shù)需克服太空微重力和輻射環(huán)境的影響。地面增材制造受重力影響，粉體和液態(tài)材料易于控制，成形精度可控。在太空微重力環(huán)境下，粉塵狀材料漂浮難控且易爆，液態(tài)材料受表面張力影響容易形成“球聚”現(xiàn)象，影響材料層間結(jié)合強(qiáng)度。送往國(guó)際空間站的太空打印機(jī)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(huán)境，需要解決揮發(fā)性、放氣性、老化、降解、空間輻射等問題。

三、增材制造技術(shù)在航天領(lǐng)域應(yīng)用進(jìn)展

地面增材制造技術(shù)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(fù)雜零部件的制造。太空增材制造技術(shù)被用于小尺寸非金屬零部件和產(chǎn)品的制造，方興未艾。

1.地面增材制造技術(shù)不斷突破，大量用于航天器零部件制造

基于高溫穩(wěn)定陶瓷材料的增材制造技術(shù)取得突破。航天器在再入大氣層高速飛行等情況下對(duì)防隔熱材料要求較高，陶瓷材料具有高溫穩(wěn)定性、低揮發(fā)性、高強(qiáng)度、高穩(wěn)定等特性，已大量用于航天抗高溫零部件的制造。2016年，美國(guó)加州大學(xué)研發(fā)出使用增材制造工藝制造耐高溫陶瓷的方法，產(chǎn)出的高強(qiáng)度、不易碎材料可用于制成復(fù)雜、彎曲和多孔結(jié)構(gòu)。俄羅斯托木斯克國(guó)立大學(xué)研發(fā)出用于航空航天等領(lǐng)域的新型高溫增材制造陶瓷設(shè)備，精度可達(dá)幾十微米，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與鋼鐵或合金相當(dāng)。

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、推力室結(jié)構(gòu)、噴嘴、渦輪泵等零部件增材制造的研究成為熱點(diǎn)。這些零部件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本高，采用增材制造技術(shù)在提升產(chǎn)品性能、縮短周期和降低研制成本等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。例如，采用傳統(tǒng)工藝制造噴嘴需用時(shí)1年多，而采用增材制造技術(shù)制造噴嘴用時(shí)則不到4個(gè)月，且成本可降低70%。美國(guó)NASA、軌道ATK公司（Orbital ATK）、洛克達(dá)因公司（Aerojet Rocketdyne）等采用激光選區(qū)熔化成形工藝對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室、渦輪泵、噴嘴等關(guān)鍵零部件進(jìn)行一體化制造，并成功完成多次點(diǎn)火試驗(yàn)（圖1）。軌道ATK公司對(duì)采用激光選區(qū)熔化成形工藝制造的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室進(jìn)行了多次點(diǎn)火試驗(yàn)。火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃料泵有數(shù)百個(gè)零件（圖2），其中包括轉(zhuǎn)速超過90000轉(zhuǎn)/min的渦輪機(jī)。這個(gè)渦輪泵采用增材制造技術(shù)一體化完成，比傳統(tǒng)機(jī)械加工制造減少了45%的零件。

圖1 采用增材制造技術(shù)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室點(diǎn)火試驗(yàn)

圖2 采用增材制造技術(shù)打印的燃料泵

增材制造技術(shù)也逐漸應(yīng)用在衛(wèi)星立方體結(jié)構(gòu)、天線結(jié)構(gòu)、熱控相變板、鈦合金斜撐支架、鈦合金主承力大底結(jié)構(gòu)等航天器零部件的地面制造中。熱控相變板是典型的衛(wèi)星功能集成產(chǎn)品，采用傳統(tǒng)相變/石墨復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品質(zhì)量為400g，結(jié)構(gòu)重量為280g，工質(zhì)填充率低于30%，制造周期超過45天；采用AlSi10Mg激光選區(qū)熔化成形工藝制備，產(chǎn)品質(zhì)量保持400g，結(jié)構(gòu)部分質(zhì)量123g，減重超過55%；工質(zhì)填充率不低于65%，制造周期不超過5天。該產(chǎn)品已通過了沖擊試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、正壓檢漏試驗(yàn)、無損檢測(cè)和產(chǎn)品性能檢測(cè)。某設(shè)備支架采用傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝，產(chǎn)品質(zhì)量1.1kg，頻率100Hz；采用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)后激光選區(qū)熔化成形工藝制備，結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少到430g，減重超過60%，頻率不低于110Hz，通過地面試驗(yàn)。

2.太空增材制造技術(shù)開始在國(guó)際空間站制造實(shí)用產(chǎn)品，適用于艙外和行星表面的技術(shù)正在進(jìn)行地面試驗(yàn)

美國(guó)太空制造公司（Made In Space）于2014年在國(guó)際空間站上完成首臺(tái)太空增材制造設(shè)備驗(yàn)證后，于2016年開始部署和運(yùn)行實(shí)用型增材制造設(shè)備（圖3）。該設(shè)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(guó)際空間站制造所需實(shí)用物品以及在地面難造出的高質(zhì)量物品（圖4）。該公司將對(duì)零重力增材制造設(shè)備進(jìn)行更新?lián)Q代，開發(fā)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(shù)量和空間站對(duì)地面運(yùn)送原料的需求。太空制造公司研發(fā)的增材制造設(shè)備升級(jí)版打印機(jī)已采用航天用熱聚合物在真空艙內(nèi)制造出多個(gè)測(cè)試件，證明了在國(guó)際空間站外的完全真空環(huán)境下采用增材制造技術(shù)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(shè)備Refabricator被安裝到國(guó)際空間站。2018年，德國(guó)聯(lián)邦材料測(cè)試研究所（BAM）通過拋物線飛行實(shí)驗(yàn)?zāi)M微重力環(huán)境下金屬材料的增材制造，采用預(yù)制鋪粉模式打印了大寫字母B，推動(dòng)金屬激光選區(qū)熔化成形工藝在太空應(yīng)用的技術(shù)發(fā)展。

圖3 國(guó)際空間站部署的實(shí)用型增材制造設(shè)備

圖4 空間3D打印的結(jié)構(gòu)樣件

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

3.太空增材制造技術(shù)用于空間機(jī)器人在軌建造大型結(jié)構(gòu)件是重要發(fā)展方向

太空增材制造技術(shù)將與空間機(jī)器人技術(shù)結(jié)合，用于在軌制造大型空間結(jié)構(gòu)。系繩無限公司采用具有太空增材制造功能的空間機(jī)器人制造航天器集群桁架結(jié)構(gòu)，已在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)。2017年，該項(xiàng)目完成地面熱真空試驗(yàn)，制造并裝配出長(zhǎng)30多米的航天器構(gòu)件，向在軌制造和裝配大型空間結(jié)構(gòu)邁出重要一步，有望推動(dòng)大型空間結(jié)構(gòu)制造、運(yùn)載、組裝方式的變革。NASA還提出通過“太空建筑師”（Archinaut）項(xiàng)目在空間站外安裝采用增材制造技術(shù)的空間機(jī)器人（圖5）。

圖5 “太空建筑師”項(xiàng)目設(shè)想圖

四、增材制造技術(shù)在航天領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)

航天產(chǎn)品與民用產(chǎn)品不同，對(duì)于增材制造技術(shù)的應(yīng)用更強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品的應(yīng)用特色，具體包括：?jiǎn)渭€(gè)性化、極致輕量化特點(diǎn)，異常復(fù)雜結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣、鏤空、變截面等特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)/功能一體化、高集成度特點(diǎn)，以及太空環(huán)境適應(yīng)性要求的特點(diǎn)。結(jié)合近年來的發(fā)展，增材制造技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢(shì)。

1.單件、小批量快速、低成本

航天產(chǎn)品零部件制造屬于單件小批量研制生產(chǎn)模式，與其他傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，采用增材制造技術(shù)的產(chǎn)品具有設(shè)計(jì)自由度寬泛、易于與其他制造技術(shù)集成的特點(diǎn)。增材制造技術(shù)尤其適合制造單件、小批量、個(gè)性化零部件，且可大幅縮短產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間、降低研發(fā)成本。隨著制造設(shè)備和粉末、絲等原材料的價(jià)格降低，增材制造的低成本快速研制優(yōu)勢(shì)更加明顯。

2.復(fù)雜/功能一體化

衛(wèi)星支架、桁架接頭、節(jié)點(diǎn)球等構(gòu)件制造工藝復(fù)雜，加工難度大，運(yùn)用增材制造技術(shù)，借助高能束對(duì)粉末原材料進(jìn)行熔化、堆積，可實(shí)現(xiàn)材料逐層添加。零件成形后的機(jī)械加工余量小、材料利用率高、生產(chǎn)周期短，加工過程即實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件“近凈成形”，零件的制造流程大幅簡(jiǎn)化。增材制造技術(shù)還可用于結(jié)構(gòu)功能一體化零件成形，如可以在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中嵌入傳感器、熱管和電子元器件等功能元件，減小復(fù)合材料功能構(gòu)件的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)尺寸。

增材制造技術(shù)理論上能成形任意復(fù)雜的形狀，因而能解放航天器結(jié)構(gòu)工程師的設(shè)計(jì)理念，使其在輕量化結(jié)構(gòu)、功能化結(jié)構(gòu)、一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面拓展設(shè)計(jì)思路，大膽設(shè)計(jì)各種新概念結(jié)構(gòu)。

3.太空運(yùn)載器備品備件“即需即造”

長(zhǎng)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(fēng)險(xiǎn)，為此需攜帶大量備品備件用于修復(fù)或替換受損零部件，不僅增加運(yùn)載器載重和航天器上行成本，而且占用空間站內(nèi)部?jī)?chǔ)存空間。通過太空增材制造技術(shù)可實(shí)現(xiàn)航天器修復(fù)或替換用零部件、空間站應(yīng)急所需工具在太空環(huán)境的“即需即造”，顯著降低運(yùn)載載重，節(jié)約任務(wù)成本，同時(shí)節(jié)省航天器和空間站內(nèi)部貯存空間，避免任務(wù)耽誤或失敗。

4.大型空間結(jié)構(gòu)的在軌制造

受運(yùn)載火箭整流罩包絡(luò)所限，桁架、天線等大型結(jié)構(gòu)通常以折疊收攏狀態(tài)發(fā)射，入軌后展開，而折疊收攏對(duì)展開機(jī)構(gòu)和折疊方式要求較高，且結(jié)構(gòu)尺寸仍然受限。太空增材制造技術(shù)將改變傳統(tǒng)大型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造理念，通過在太空直接制造的方式，有效拓展大型結(jié)構(gòu)的空間尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可能性。

五、結(jié)束語

當(dāng)前增材制造技術(shù)發(fā)展迅速，激光選區(qū)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(jié)構(gòu)電子一體化成形、高強(qiáng)高耐熱聚合物熔融沉積成形等增材制造技術(shù)，在運(yùn)載火箭、導(dǎo)彈武器、衛(wèi)星支架、空間站、民用產(chǎn)品等領(lǐng)域中應(yīng)用逐步擴(kuò)展。隨著空間站艙內(nèi)環(huán)境和艙外環(huán)境專用3D打印機(jī)的發(fā)展，除了增材制造技術(shù)之外，空間力學(xué)、空間結(jié)構(gòu)學(xué)、空間材料學(xué)、空間設(shè)計(jì)學(xué)、空間檢測(cè)學(xué)等交叉學(xué)科的應(yīng)用更加突出，未來航天領(lǐng)域的增材制造應(yīng)用將是多技術(shù)的融合體。