2022年12月4日20時09分，神舟十四號載人飛船返回艙在東風著陸場成功著陸，標誌著我國航天事業的發展邁入新的階段。隨著科學技術和我國航天事業的快速發展，越來越多的先進科技成果被運用到我國的航天事業中來。3D列印技術便是給航天業帶來顛覆性、變革性發展的科技成果之一，對我國航天業的技術和產業化的推動越發明顯。
目前，我國航天領域對3D列印技術呈現出越來越強大的應用需求，神舟十四號載人飛船搭乘的長征二號F遙十四運載火箭，就是採用了3D列印技術製造所需零件，讓發動機變得更可靠，效率速度也得到了雙提升。最近，「3D列印+航天」又有新的顛覆式科研成果了。2022年12月3日，在第二屆增材製造研究前沿國際會議中，南京理工大學稱通過運用3D列印技術，已研製出10多顆微納衛星，並成功發射。
回看過往，3D列印究竟是如何做到顛覆航天業的？
「3D列印+衛星」時代來臨
增材製造俗稱3D列印，是通過對模型數位化立體掃描、分層處理，藉助於類似印表機的數位化製造設備，將材料逐層堆積製造出實體物品的新興製造技術，是先進位造業的重要組成部分。
航天產品是「克克黃金」，每減重一公斤，就能節約幾十萬元的費用。如果結構材料能輕一些，不僅可以降低成本，為批量化生產衛星提供基礎，還能搭載更多的衛星載荷，進行更多的空間試驗。比如帶攝像機上去，就能使其具有更好的視覺、通信能力等等。在這種背景下，3D列印拓撲結構、晶格結構等輕量化結構，就特別有利於衛星的輕量化設計，使它的功能密度更高。
傳統的衛星製造模式，是衛星內部各個模塊分離製造，再裝配集成。但通過將微納衛星的導電線路內生共成形於結構體內部，再將功能載荷嵌入，實現將衛星的電路、元器件和功能材料融合一體，完成「結構-電路-器件」一體化3D列印製造。
給衛星減重有多難?
該項目團隊介紹人稱，首先要給衛星的複雜結構減重，「但減重的同時，衛星還要能達到一定的抗衝擊能力，因為火箭在發射過程中會有很大震動，對衛星器件和結構的衝擊力是很強的，衛星要能承載巨大的衝擊力，這對設計要求很高。」與此同時，太空嚴峻的空間環境——高溫時可達零上100攝氏度，低溫時低到零下100攝氏度，也給3D列印材料的性能提出很大挑戰，需要其能承受極端溫度和空間輻射。
這或許只是「3D列印+航天業」發展中的一角。實際上，3D列印技術早已給航天領域帶來了極具顛覆性的改變。
3D列印是如何顛覆航天業的？
為什麼能顛覆？
採用3D列印技術具有效率高、成本低的優勢。
在航空航天領域，3D列印技術在應用上具備許多優勢：
快速原型驗證，快速疊代。用傳統工藝製造渦輪葉片，期間需要開模具，從設計到製造大約需要半年時間，而用增材技術，可以快速在一個月之內實現疊代。
提升設計自由度。過去設計非常複雜的構件很難製造或者成本非常高，甚至根本無法製造。利用增材製造工藝，可以用相對簡單的方式生產高度複雜的二維或三維金屬部件，這是整體形成由實心和網格部分組成的結構部件的可行方式。
降低成本。它不需要模具，可以快速地行進一些製造。此外就是修復，對於民用航空來說維修是很大的問題。要降低成本，用增材的方法可以降低成本五分之一，比如整體葉盤、葉片等等。
3D列印被航天領域廣泛應用
目前，3D列印技術在我國航天領域得到廣泛應用，技術持續疊代升級。
2021年2月5日， 零壹空間OS-X6B火箭首次採用3D列印姿控動力系統產品飛行，試驗取得圓滿成功。該系統取消傳統管路連接各功能部件，創新性應用鈦合金3D列印技術，實現了與傳統管路連接方案相同功能前提下，全系統減重34.38%，質量不超過10kg，系統結構可靠性大幅提高，在3000g衝擊環境條件下適應性良好。
2021年4月23日，科技公司自主研發的「炎馭一號」系列發動機核心部件推力室、燃氣發生器等均採用3D列印工藝路線，設計靈活性大幅提高，製造效率顯著提升，大幅度降低了小型泵壓式火箭發動機的研製周期和成本。
2021年5月15日，中國首枚火星探測器「天問」一號成功著陸。在天問一號探測器的著陸巡視器和環繞器的推進分系統內，作為著陸巡視器主發動機的7500N變推力發動機在製造過程中因3D列印技術的使用取得了重要效益：重量和體積只有以前發動機的三分之一，結構也更加優化、緊湊。發動機的對接法蘭框還首次採用3D列印技術，一次列印成型避免大餘量去除原實心棒材或鍛件引起的變形，也保證了發動機與總體對接的質量穩定性。
在長征二號F遙十二運載火箭配套發動機的推力室隔板加強肋上，3D列印技術的應用實現了加強肋產品加工方法的「雙創新」：通過實現了工藝製造技術創新，突破了傳統工藝製造難題，解決了因結構限制導致產品合格率低的問題；通過實現高效、快捷、綠色的製造模式創新，突破傳統製造模式低生產效率瓶頸，解決了多種廢液、粉塵氣味等環保問題，可直接製備出形狀複雜、性能穩定的產品。
2021年8月27日，中國航天科工二院二部發布消息稱實現了某型飛行器產品複雜結構的3D列印集成製造，並指出這是3D列印技術在航天領域飛行器研製中的重要里程碑，進一步提升了飛行器輕量化水平，為未來新一代飛行器發展提供了有力支撐。
2022年10月31日，夢天實驗艙搭乘長征五號B遙四運載火箭成功發射。而夢天艙的重要結構件導軌支架就採用了3D列印的薄壁蒙皮點陣結構。該結構比採用傳統設計及製造方法的結構減重46.4%，實物已應用於某型號衛星載荷支撐任務。封閉蒙皮包裹三維點陣的結構形式可以有效提高支架類結構的設計效率，在太空飛行器結構輕量化方面具有推廣應用前景。
「黑科技」的魔力
隨著越來越多的商用3D印表機被證明能夠生產出符合太空價值的組件，新興火箭製造商的數量呈現激增趨勢，產業化被不斷推動。
在Formnext Connect的線上展會上，Mesago Messe Frankfurt GmbH的Formnext副總裁Sascha Wenzler對3DPrint.com表示：「增材製造在許多行業都具有巨大的潛力。通常，在查看增材製造應用時，生產成本是唯一要考慮的因素。然而，在航空航天工業中，諸如減輕重量和提高燃油效率之類的其他因素超過了初始製造成本。隨著該領域應用程式數量的增加，航空航天行業本身已成為其他行業的榜樣，並成為整體採用增材製造的開拓者。」
2022年，Launcher獲得了來自美國太空部隊 (U.S. Space Force) 的資金，以進一步開發用於發射Launcher Light運載工具的E-2——這是一款3D列印的高性能液體火箭發動機，計劃在2024年投入使用。美國太空部隊表示，「E-2有可能大幅降低通過專用小型運載火箭將小型衛星送入軌道的價格，對我們來說，這是一個關鍵能力和優先事項。」
Launcher的創始人兼CEO Max Haot說：「火箭發動機中的渦輪泵部件通常需要經過鑄造、鍛造和焊接，而這些工藝過程所需的模具增加了開發成本，並降低了設計疊代中的靈活性。得益於Velo3D的零度技術，我們可以用3D列印來製造渦輪泵，包括旋轉的Inconel閉式葉輪，這令成本變得更低，並能通過每個原型之間的疊代來增加創新。」
未來大有可為
在製造火箭和人造衛星方面，3D列印-增材製造已變得不可或缺。工業3D列印在減輕重量和複雜設計方面的優勢推動著航天製造技術的發展，實現了降成本、提性能的雙重價值。從目前趨勢來看，增材製造在航空航天領域的應用需求呈現持續增長趨勢。期待在未來，3D 列印在航空航天領域的應用會變得更加高效。
責編：方鈺潔
監製：李紅梅
文章參考：
1.《顛覆傳統製造模式，「3D列印+衛星」時代來臨》科技日報
2.《衛星也能3D列印？航天領域的「黑科技」來了！》荔枝新聞
3.《2021年中國航空航天領域3D列印技術10大應用》中國機械工程學會
4.《3D列印助力神舟十四號，代替鑄造生產發動機部件》3D列印資源庫