1、- White Paper Series -3D科学谷白皮书系列3D打印与航天研发与制造业白皮书1.0White Paper of 3D Printing and Aerospace R&D and ManufacturingVersion ID:中文English2百万+点击量（年）10万+订阅用户；4百万+阅读量机械工人出版社发行，京东、当当有售AME卓越论坛聚焦3D打印改变产品的方式行业应用白皮书提升行业对3D打印的认知水平3D Science Valley市场研究白皮书系列、Insights行业洞见、AME卓越论坛、3D打印与工业制造，四大板块之间相互联动，3D科学谷立足上海与德国柏林
2、，全球视野，精准洞察，()，是国际上最有影响力的3D打印界的智囊平台。能量聚合融合交汇认知贯通升级多维全球航天参考资料： 中信建投飞行器活动范围分类图1航天又称空间飞行或宇宙航行。“航天”系泛指航天器在太空在地球大气层以外（包括太阳系内）的航行活动，粗分为载人航天和不载人航天两大类。航空是在地球的大气层内飞行，航空飞行始终没有脱离地球的引力。飞行器飞行器火箭与导弹航空器无人航天器载人航天器人造地球卫星空间探测器宇宙飞船航天飞机空间站轻于空气的航空器气球飞艇重于空气的航空器固定翼航空器旋翼航空器飞机滑翔机直升机旋翼机航天工业航空工业航天业2全球航天业竞争力指数（来源：Space Competit
3、ive Index, SCI, Furtron）美国在航天领域保持着绝对的优势，不过，中国、日本、俄罗斯、印度的竞争水平逐年大幅提升。来源：Space Competitive Index, SCI, F航天科技工业体系3中国的航天科技工业体系中，航天科技与航天科工是两大核心集团。航天科技侧重于航天，航天科工侧重于防务。航天科技集团主要从事运载火箭、人造卫星、载人飞船的研制工作，打造了“神州”，“长征”等著名品牌，创造了载人航天和月球探测等里程碑事件。航天科工集团主要从事导弹武器装备研究与生产。当然，在大量的航天防务系统研制过程中，两大集团会经常出现分工合作、共同参与的局面。航天科技集团营业收入
4、及利润4中国航天科技集团收入（单位：亿元）中国航天科技集团利润（单位：亿元）2014年，航天科技集团实现营业收入1675.3亿元，同比增长18%，6年复合增速19.1%航天科工集团营业收入及利润5中国航天科工集团收入（单位：亿元）中国航天科工集团利润（单位：亿元）2014年，航天科工集团实现营业收入1574.28亿元，同比增长11%，6年复合增速17%卫星产业6全球航天产业、卫星产业收入概况（单位：十亿美元，2015年）335.5B全球航天产业全球卫星产业收入为2083亿美金，占全球航天产业收入3353亿美金的62%。非卫星产业的航天收入包括载人航天飞行收入、非地球轨道航天器收入和政府预算。3
5、47卫星产业2007-2013年全球卫星产业收入构成卫星产业可以划分为卫星服务业、卫星制造业、发射服务业和地面设备制造业四大领域。卫星制造业和发射服务业是航天产业的基础与核心，但占比只有约2.6%和8%。8卫星产业2015年发射卫星数量按类型分2015年卫星制造业总收入为166亿美元。卫星按照功能可以分为通信卫星、对地观测卫星、导航卫星三大类。2015年发射卫星价值按类型分资料来源：SIA9卫星产业2015年全世界发射服务业收入为54亿美元。资料来源：SIA2010-2015年全球发射服务收入（单位：10亿美元）10运载火箭参考资料：维基百科、百度百科运载火箭用于把人造地球卫星、载人飞船、航天
6、站或行星际探测器等送入预定轨道。末级有仪器舱，内装制导与控制系统、遥测系统和发射场安全系统。有效载荷装在仪器舱的上面，外面套有整流罩。它每一级都包括箭体结构、推进系统和飞行控制系统。级与级之间靠级间段连接。有效载荷装在仪器舱的上面，外面套有整流罩。常用的运载火箭按其所用的推进剂来分，可分为固体火箭、液体火箭和固液混合型火箭三种类型。按级数来分，运载火箭可以分为单级火箭、多级火箭。其中多级火箭按级与级之间的连接形式来分，分为串联型、并联型、串并联混合型三种。11火箭发动机参考资料：维基百科、百度百科火箭发动机物理动力发动机电火箭发动机化学火箭发动机液体火箭发动机固体火箭发动机混合推进剂火箭发动机
7、核火箭发动机轻量化3D打印在航天领域的应用价值轻量化 l 四大途径12要实现轻量化，宏观层面上可以通过采用轻质材料，如钛合金、铝合金、镁合金、陶瓷、塑料、玻璃纤维或碳纤维复合材料等材料来达到目的。微观层面上可以通过采用高强度结构钢这样的材料使零件设计得更紧凑和小型化，有助于轻量化。而3D打印带来了通过结构设计层面上达到轻量化的可行性。具体来说，3D打印通过结构设计层面实现轻量化的主要途径有四种：中空夹层/薄壁加筋结构、镂空点阵结构、一体化结构实现、异形拓扑优化结构。轻量化 l 3D打印胞元结构建模的六大挑战13就像建筑用的空心砖，胞元的应用减少了材料的使用，有效帮助实现轻量化，而与此同时，如何
8、保证仍然满足力学性能的要求，则成为建模界面对的挑战。1 连续建模，各向异性是在建模过程中就需要考虑的因素，而诸如表面粗糙度、局部结构或尺寸公差这些问题在小于1毫米厚的连接部位变得尤为突出2 大小的影响，以弹性模量为例，这个属性强烈地依赖于参与实验表征过程中的胞元数量。3 接触效应，在压力试验中结构件顶部和底部的力学分布与位于结构件中间的可能是大不相同的。4 宏观结构的影响，宏观结构也会对微观结构带来影响，包括非常高的纵横比。5 尺寸公差的影响，尺寸误差用在含胞元结构的产品上可能带来非常显著的作用。6 细观结构的影响，悬垂面与水平面的角度往往带来不同程度的表面情况。轻量化 l 胞元建模的四大类型
9、14蜂窝蜂窝结构强度很高，重量又很轻，还有益于隔音和隔热。因此，现在的航天飞机、人造卫星、宇宙飞船在内部大量采用蜂窝结构，卫星的外壳也几乎全部是蜂窝结构。因此，这些航天器又统称为“蜂窝式航天器”。开孔泡沫与闭孔泡沫相比较，开孔泡沫对水和湿气有更高的吸收能力，对气体和蒸汽有更高的渗透性，对热或电有更低的绝缘性，还有更好的吸收和阻尼声音的能力。闭孔泡沫闭孔泡沫塑料的力学强度较高，绝热性和冲缓性都较优，吸水性小,一般用作保温、绝缘、隔音、包装、漂浮、减震以及结构材料等用途。点阵结构点阵结构的材料特点是重量轻、高强度比和高特定刚性。并且带来各种热力学特征，点阵结构的超轻型结构适合用在抗冲击/爆炸系统、
10、或者充当散热介质、声振、微波吸收结构和驱动系统中。15abcabcabc轻量化 l点阵结构胞元性能研究中国空间技术研究院总体部根据三维点阵的胞元形式的特点，结合三维点阵在航天器结构中应用的实际情况，提出三维点阵结构胞元的表达规范，即通过胞元占据的空间并结合胞元杆件的直径来表达三维点阵结构胞元的设计信息。单胞等效计算多胞等效计算尺寸效应修正力学试验修正胞元数据库来源：中国空间技术研究院总体部轻量化的微小卫星16图片来源：中国空间技术研究院总体部卫星中国空间技术研究院总体部基于增材制造及点阵结构的典型微小卫星主结构：-尺寸包络：400400400mm；-承载能力：104kg；-结构重量：9kg；-
11、一阶频率： 110Hz；-模型数据量：100M；-制造周期：不超过15天PBF 激光加工技术轻量化的火箭零件172017年，欧洲航天局（ESA）推出了一项新的3D打印CubeSat立体小卫星项目，材质为PEEK塑料。随着第一次测试运行正式进行，欧空局旨在使这些3D打印的微型卫星投入商业应用，并配有内部电气线路。而仪器、电路板和太阳能电池板只需要插入即可。欧洲航天局已经开始与葡萄牙聚合物工程公司PIEP建立新的合作伙伴关系。这种合作伙伴关系将共同创造了一种可3D打印的PEEK，通过向材料中加入特定的纳米填料而具有导电性。图片来源：ESA卫星PBF 激光加工技术轻量化的微型卫星18俄罗斯首个3D打
12、印的立方体卫星（CubeSat）Tomsk-TPU-120于2016年的3月31日搭载一枚进步MS-2火箭进入国际空间站，并由空间站上的宇航员通过太空行走将其放入太空轨道上。该卫星将围绕地球飞行半年的时间。Tomsk-TPU-120是一个标准的立方体卫星，外形方方正正，尺寸为300100100毫米。该卫星的外壳是使用经俄罗斯宇航局批准的材料3D打印而成的，大部分是塑料部件。为卫星提供动力的电池组外壳，是用氧化锆陶瓷材料3D打印而成的。使用陶瓷材料能够将，不受太空温度剧烈变化的伤害，从而延长电池组的寿命。卫星轻量化的火箭零件19位于丹麦哥本哈根的一家基础工程公司Adimant打印了金属点阵结构件
13、用欧洲最大的卫星制造商Thales Alenia Space的卫星上。结构件重量为1.7公斤，体积为13428500毫米。图片来源： Thales Alenia Space卫星PBF 激光加工技术轻量化的卫星结构件20参考：Materialise卫星比利时3D打印公司Materialise与数字化服务巨头源讯（Atos）携手，开发出了一个航空航天部件：3D打印的钛金属插入件，该部件是一个高负荷的零件，比之前通过传统方式制造的插入件轻了近70%。该插入件的作用是用来固定和连接大尺寸的卫星结构件，也是用来转移卫星和其他约束结构的高机械负载。最初，通过两家公司的团队对当前使用的部件进行了全面的研究，
14、将其重量减少到了只有原来的三分之一，同时还提高了该部件的机械性能。而在后期的研究中，共减重了66%。确切地说，研究人员将该插入件的重量从原来的1454克减到了500克。PBF 激光加工技术轻量化的火箭零件21莫纳什大学和Amaero Engineering与Betatype合作，通过Betatype复杂晶格建模软件平台Engine-Platform 开发火箭发动机轻量化零件。莫纳什大学的团队开发了一系列体现3D打印特点的概念性火箭零件，其中一个零件是火箭壁内的带有随形冷却夹芯结构的轻量化零件。通过Engine-Platform软件中开放的Arch格式，研究团队能够避免因创建网格结构而产生大量的
15、数据。软件中抽象的算法，大大降低了CAD模型数据的复杂度，使得模型数据更容易管理。通过Concept Laser X-Line 打印的火箭发动机轻量化零件原型图片来源：Betatype火箭PBF 激光加工技术轻量化的火箭零件22Aerojet Rocketdyne于2017年4月通过测试的3D打印铜合金推力室部件是全尺寸的，AerojetRocketdyne增材制造项目部门表示这是目前最大的3D打印铜合金推力室部件。相比传统的制造工艺，选择性激光熔化3D打印技术为推力室的设计带来了更高的自由度，使设计师可以尝试具有更高热传导能力的先进结构。而增强的热传导能力使得火箭发动机的设计更加紧凑和轻量化
16、，这正是火箭发射技术所需要的。图片来源：Aerojet Rocketdyne火箭PBF 激光加工技术轻量化的火箭零件232015年，美国航天局NASA 在铜质发动机燃烧室的3D打印方面也取得了突破，打印材料为GRCo-84铜合金，它是在NASA在俄亥俄州的Glenn研究中心开发出来的一种铜合金，打印工艺也是选择性激光熔化。燃烧室衬里的3D打印总共为8255层，仅这一个部件打印时间为10天零18个小时。这个铜合金燃烧室零部件内外壁之间具有200多个复杂的通道，制造这些微小的、具有复杂几何形状的内部通道，即使对增材制造技术来说也是一大挑战。部件接下来被送至NASA在弗吉尼亚州的Langley研究中
17、心，那里的研究人员会使用电子束自由制造设备为其涂覆一层含镍的超合金。NASA的最终目标是要是要使火箭发动机零部件的制造速度大幅提升，同时至少降低50%的制造成本。图片来源：NASA火箭PBF 激光加工技术轻量化的航天器24美国牛津性能材料（OPM）公司被选定为波音CST-100火箭飞船提供3D打印的结构件，OPM已经开始出货OXFAB材料打印的零部件。CST-100火箭飞船被设计为可运输多达七名乘客，或混合船员和货物，在低地球轨道运行这个火箭飞船隶属于NASA的商业乘员计划合作项目。具体地讲，OXFAB-N是未经修饰的PEKK，由于它的低的微波介电常数，最适合用于制造微波天线（天线罩）或其他特
18、殊的电气应用。OXFAB-ESD则是一种加了碳的PEKK，它具有高强度、低重量的机械性能。PEKK材料“是一种具有卓越的强度、耐化学性、耐低温和高温、耐辐射性，以及优异的耐磨损性能的超高性能聚合物”。由于具有这些令人印象深刻的特性，OPM将其与3D打印能够制造具有独特几何形状的物体的能力相结合，专门针对航空航天、运送、能源、医疗及半导体领域提供低重量、高性能的3D打印部件。航天器PBF 激光加工技术一体化结构实现3D打印在航天领域的应用价值一体化结构实现253D打印可以将原本通过多个构件组合的零件进行一体化打印，这样不仅实现了零件的整体化结构，避免了原始多个零件组合时存在的连接结构（法兰、焊缝
19、等），也可以帮助设计者突破束缚实现功能最优化设计。一体化结构的实现除了带来轻量化的优势，减少组装的需求也为企业提升生产效益打开了可行性空间。参考：铂力特通过3D打印将复杂的多道工序减少为一道或几道。参考：GE一体化结构实现案例 l Ariane 6 26火箭喷嘴头是助推器的核心组件之一，负责将燃料混合物输送入燃烧室。在传统设计中，该组件由 248 个零部件构成，而这些零部件通过各种制造步骤生产、装配而成。采用铸造、铜焊、焊接与钻孔等不同的工艺步骤可能会带来缺点，从而可能导致在极端负荷下产生风险。此外，生产如此多的零部件也是一个十分耗时的复杂过程。在喷油器组件领域，传统的生产过程需要在铜套管中钻
20、出 8000 余十字孔，然后用螺钉将铜套管精确地固到 122 个喷油器组件上，以便将其中流动的氢气与氧气混合。借助 EOS 基于粉床的工业 3D 打印技术，可将122 个喷油嘴、基板和前面板、带有相应进料管的圆顶氢气氧气燃料输送头打印为单个集成组件。以 AiO 喷嘴头为例，与单激光器系统相比，EOS M 400-4 多激光器系统生产率明显更高，可将成型时间缩短至 1/4，并将成本降低50%。PBF 激光加工技术一体化结构实现案例 l AEHF卫星27卫星2017年4月，洛克希德马丁为美国空军发射的第六颗“先进极高频”(AEHF-6)卫星提供了3D打印的Remote Interface Unit
21、的铝制航空电子设备外壳。Remote Interface Unit是激光粉末床熔化技术制造的。通过3D打印技术使得一个组件替换原来的多个部件。这样就减少了设计和生产周期，将原型机原来六个月的制造时间缩短为一个半月，生产时间从12小时缩短为3小时。此外，洛克希德马丁还在研究包括用于A2100卫星平台的大型3D打印油箱。2017年8月洛克希德马丁宣布投资3亿美金建设一个全球领先的卫星生产中心，这里面将安装最先进的工业级3D打印机。该工厂名为Gateway Center,工程将与2020年完成。PBF 激光加工技术一体化结构实现案例 l 一体化天线28卫星天线被广泛应用在商用飞机、军用飞机、卫星，无
22、人机以及地面上的电子终端中。然而，目前的天线，特别是航空航天中使用的RF天线，在重量方面还需要进一步减轻，天线的设计也有继续优化的空间。Optisys公司采用的天线制造方式是通过选择性激光熔化金属3D打印机进行天线的直接制造。这种功能集成式的3D打印天线，相比传统工艺制造的天线重量降低了95%以上，交货期由11个月减少为2个月，生产成本减少了20%-25%。PBF 激光加工技术一体化结构实现案例 l 集成推进系统29卫星2014年，Aerojet Rocketdyne成功完成了对MPS-120 CubeSat高冲击可适应模块推进系统（简称MPS-120）的点火试验。这也是该公司首次3D打印的肼
23、推进剂集成推进系统。它的设计目标是为微型CubeSat卫星提供动力。MPS-120系统包括四个小型火箭发动机和给料系统组件、一个3D打印的钛活塞、推进剂贮箱和压力箱。MPS-120可以兼容肼推进剂和绿色推进剂。MPS-120的整个机箱还没有一个咖啡杯大。MPS-120是Aerojet Rocketdyne公司首次3D打印的集成推进系统。该公司此前曾在其它的火箭项目中进行过进行了一些关于3D打印部件和发动机的点火测试。一体化结构实现案例 l Banton 发动机30火箭2014年，航天军工领先制造商GenCorp下属的 AerojetRocketdyne宣布，他们用3D打印技术直接制造了一台完整
24、的发动机并成功通过测试。这是一台液氧/煤油发动机，在Aerojet Rocketdyne公司内部通常被称为“迷你型Banton”。因为这是该公司生产的几款动力并没那么强大的Banton发动机之一，迷你型Banton能够产生高达5000磅的推力。使用增材制造，Banton发动机的零部件数量急剧缩减到只有三个，其中包括喉部和喷嘴部分、喷油器和圆顶组件、燃烧室。PBF 加工技术一体化结构实现案例 l SuperDraco火箭发动机推力室31火箭SpaceX于2013年就成功通过EOS金属3D打印机制造SuperDraco火箭发动机推力室，使用了镍铬高温合金材料。与传统的发动机制造技术相比，使用增材制
25、造不仅能够显著地缩短火箭发动机的交货期和并降低制造成本，而相比传统制造发动机的成本，而且可以实现“材料的高强度、延展性、抗断裂性和低可变性等”优良属性。这是一种非常复杂的发动机，其中所有的冷却通道、喷油头和节流系统都很难制造。EOS能够打印非常高强度的先进合金,是创造SuperDraco发动机的关键。PBF 激光加工技术一体化结构实现案例 l 猎鹰9号氧化剂阀体32火箭2017年1月，SpaceX在加州范登堡空军基地成功发射了一枚猎鹰9号火箭，猎鹰9号火箭上含有大量的3D打印零件，包括关键的氧化剂阀体，3D打印的阀体成功操作了高压液态氧在高震动情况下的正常运行。与传统铸造件相比，3D打印阀体具
26、有优异的强度、延展性和抗断裂性。并且与典型铸件周期以月来计算相比，3D打印阀体在两天内就完成了。PBF 激光加工技术33Blue Origin采用3D打印技术来打印BE-4火箭发动机的壳体、涡轮、喷嘴、转子。BE-4是以液化天然气为燃料的新一代火箭发动机。BE-4除了主泵提供的推力，还通过几个“升压”涡轮泵，混合液态氧和天然气从而提供500000磅的推力。3D打印在发动机的生产中发挥了关键作用，更令人大开眼界。Blue Origin的Ox Boost Pump增压泵（OBP）设计利用增材制造技术制造出许多关键部件，从单一的3D打印铝件，到镍合金液压涡轮。一体化结构实现案例 l BE-4火箭发动
27、机火箭PBF 电子束加工技术一体化结构实现案例 l BE-4火箭发动机34火箭从单一的3D打印铝件，到镍合金液压涡轮。增材制造方法允许集成复杂的内部流道到设计中，这是难以通过传统制造技术制造出来的。涡轮喷嘴和转子也通过3D打印出来，仅仅需要很小的后期加工就可以满足精度要求。除了Blue Origin新的格伦New Glenn火箭发射器， BE-4火箭发动机还可以被用在火神火箭发射器上，该火箭发射器是由联合发射联盟（ULA）开发的。DED 定向沉积技术PBF 激光加工技术一体化结构实现案例 l 军刀引擎喷油嘴35飞行器空间飞行器大致可以分为两大类：有翼飞行器和弹道火箭。在太空竞赛的早期，两者都被
28、认为是进入地球轨道的可行办法。然而，在工程和经济上，两者的太空旅行理念却呈现出了巨大的差异。新型“军刀”引擎的一大亮点是3D打印的喷油器，该喷油器使得引擎在不到0.01秒中就可以得到急速降温。正是喷油器的作用使得Skylon有翼飞行器达到高达五倍音速的速度，直接飞到地球的轨道。这意味着航天飞机可以像普通飞机一样起飞、飞行和着陆。PBF 加工技术一体化结构实现案例 l FBG传感器36FBG传感器是一种光纤光栅传感器，可以精准的测量位移、速度、加速度、温度。2016年美国航空航天局（NASA）兰利研究中心与Fabrisonic 公司合作，使用Fabrisonic的UAM 3D打印机将FGB 传感
29、器嵌入到金属零部件中，以长期监测零件的应变。在金属3D打印的过程中会产生高温，这将会导致嵌入的FBG 传感器失去敏感性。因此，制造嵌入传感器的智能金属零部件，需要使用低温的制造技术。Fabrisonic 公司的UAM 3D打印机的独特之处在于使用了一种将超声波焊接与CNC结合起来的技术。UAM工艺主要使用使用超声波去熔融用普通金属薄片拉出的金属层，从而完成3D打印。这种方法能够实现真正冶金学意义上的粘合，并可以使用各种金属材料如铝、铜、不锈钢和钛等。在制造过程中温度低于200华氏度，在这样的温度环境下嵌入传感器可以避免传感器被损坏。Sheet Lamination 加工技术一体化结构实现案例
30、l 电子结构件37NASA Ames研究中心和美国SLAC国家加速器实验室研究人员开发出了一种在柔性基板上打印纳米材料的工艺。该技术打印等离子材料并不需要进行热处理，整个过程只需要40摄氏度左右的温度。该技术为更便利的在曲面上制造可穿戴设备、生物传感器、数据存储器和集成电路之类的装置，曲面基板的材料甚至可以是纸、布、棉花等柔性材料。可以做到这些的关键因素是等离子体。这种3D打印新工艺非常灵活，只需要配置更多的打印喷嘴即可进行大表面的3D打印。目前研究团队正在开发其他的3D打印材料，比如铜。通过该技术还能够将电池材料打印到很薄的金属（比如铝）板上，然后将该金属板卷起来，制造出体积小但是功能强大的
31、电池，以应用在手机或者其他设备上。一体化结构实现案例 l 光学镜头38随着麻省理工的3D打印玻璃技术的面世，NASA又进入了3D打印望远镜的反射镜领域。作为新的光学工程研究的一部分，NASA 哥达德太空飞行中心的一个团队正在规划为下一代的双镜面设备3D打印任意曲面的反射镜。NASA最新的光学突破，可以创造几乎任何形状的望远镜放射镜，比以往任何时候提供更好的图像质量。NASA将致力于全3D打印完整的成像望远镜。研究小组认为，这种3D打印的方法可以改变系外行星成像的游戏规则。光学自由曲面将至关重要。一方面使得望远镜拥有更大的视野，而且适合尺寸有限的包装，比如现在流行的小卫星或者立方体卫星等，或者能
32、够为航天器节省出更多的空间。一体化结构实现案例 l 涡轮泵392015年，美国航空航天局3D打印的最复杂的火箭零部件，因为涡轮泵自身转速高达每分钟9万转，它的主要工作是抽取液氢推进剂给火箭发动机。NASA在阿拉巴马州的航天中心进行了测试。3D打印出来的涡轮泵当中快速旋转涡轮机产生超过2000马力。该组件测试了15种不同的运行过程中，并能实现满功率每分钟提供1200加仑低温液态氢，足够驱动一个火箭发动机产生35000磅推力。这种采用选择性激光熔化的3D打印技术生产的涡轮泵与传统的焊接和装配技术相比，原材料消耗可以减少45%。火箭PBF 激光加工技术一体化结构实现案例 l 4D打印402017年乔
33、治亚理工学院开发了一种“记忆”形状，可以在特定的温度情况下一次又一次的回到原来的状态，这种形状记忆4D打印或为太空探索铺平道路。到空间中的物体的重量和所占体积对于穿梭任务来说是非常重要的，科学家们追求越紧凑越不占空间的解决方案。乔治亚理工学院通过3D打印机创建小型结构，以便在暴露于热量的时候延展，这种思路可以拓展到空间应用。结构完全由一系列3D打印机创建并组装起来，当放置在149度水中浸泡时，它们开始展开。这是一种灵活的材料，这些结构将能够神奇的恢复到原来的状态，如果一切顺利，这项技术最终可以用于空间结构和机器人以及各种生物医学设备。拓扑优化3D打印在航天领域的应用价值拓扑优化结构41拓扑优化
34、对原始零件进行了材料的再分配，往往能实现基于减重要求的功能最优化。拓扑优化后的异形结构经过仿真分析完成最终的建模，这些设计往往无法通过传统加工方式加工，而通过3D打印则可以实现。通常3D打印出来的产品与传统工艺制造出来的零件还需要组装在一起，所以设计的同时还需要考虑两种零件结合部位的设计。拓扑优化是缩短增材制造设计过程的重要手段，通过拓扑优化来确定和去除那些不影响零件刚性的部位的材料。拓扑方法确定在一个确定的设计领域内最佳的材料分布：包括边界条件、预张力，以及负载等目标。参考：铂力特中国空间技术研究院总体部设备支架初始设计拓扑优化优化设计优化设计最初重量1.1kg优化理论1.066kg设计重量
35、693g设计重量360g减重40%减重67%图片来源：中国空间技术研究院总体部拓扑优化结构42卫星PBF 激光加工技术拓扑优化结构43RUAG Space为未来的Sentinel-1卫星配备由工业级3D打印机制造的天线支架。RUAG Space选择了Altair产品开发部门对其3D打印流程的设计提供支持。借助拓扑优化方法，制造商可确定哪些材料在结构中是必不可少的，而哪些材料在移除后不会对性能造成负面影响，并就此来减轻重量。通过优化过程可确定理想的材料布局，而通过3D打印技术则可构造出更接近这一理想设计的形状。参考：Altair卫星PBF 激光加工技术拓扑优化结构44Thales Alenia
36、宇航公司将欧洲最大的3D打印航天器部件应用在Koreasat 5A和Koreasat 7通讯卫星上，通过Concept Laser选择性激光熔融粉末床增材制造技术来制造,是由泰雷兹阿莱尼亚宇航公司（Thales Alenia Space）和法国3D 打印服务公司 Poly-Shape SAS共同合作制造的。尺寸为 447 x 204.5 x 391 mm ，重量却只有 1.13 kg，可以称得上是真正的轻量化部件。与传统结构相比，仿生的增材制造结构重量减轻了 22%。更重要的是，生产效率极大提高的同时，成本还下降了30%卫星PBF 激光加工技术避免大余量切除3D打印在航天领域的应用价值替代锻造
37、的趋势45当前20到35%的结构件，30到45%的发动机零件是由锻造而成，而后期的结构件机加工带来70%以上的余量去除。3D打印可以节约50%以上的材料去除率。EBAM电子束焊接和RPD快速等离子沉积技术将会影响锻造业在航空航天领域的应用。替代锻造的趋势462017年6月，GKN航空航天公司宣布已经向法国的空中客车和赛峰集团提供了先进的Ariane 6号火箭喷嘴（SWAN）。直径为2.5米，喷嘴采用创新技术制造而成，性能更高，交货时间更短，成本更低。通过激光焊接和激光定向能量沉积工艺对关键结构零部件进行加工，使得喷嘴的零部件数量减少了90，从约1000个零部件减少到约100个零部件。并且降低了
38、40%的成本，减少了30%的交货时间。火箭GKN航空航天事业部一共将为每个Ariane 6号火箭提供五个复杂的子系统，包括发动机的涡轮机组件，以及氢气和氧气燃料系统发电装置内的组件。DED 定向沉积技术避免大余量切除 l AR1 发动机喷油嘴47火箭2015年3月，Aerojet Rocketdyne公司在其萨克拉门托测试中心成功完成了对其AR1增压发动机关键部件的热点火测试。AR1火箭发动机的单冲量（single-element）主喷油嘴是完全使用3D打印机制造的。AR1是一款正在开发中的50万磅推力级的液氧/煤油发动机，美国希望用它来替代俄罗斯的RD-180发动机。根据2015年美国国防授
39、权法案的要求，为了美国国家安全的考虑。到2019年之前美国制造的替代产品要完全取代俄罗斯的RD-180发动机，并可用于火箭发射。避免大余量切除 l NASA下一代火箭发动机零部件48火箭NASA通过美国俄勒冈州的Metal Technology（MTI）公司为NASA旗下的Johnson太空中心生产Inconel718合金部件。Inconel 718合金在650度以下的屈服强度居变形高温合金的首位,并具有良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化、耐腐蚀性能。Inconel 718合金组织对热加工工艺特别敏感，加工者需要掌握合金中相析出和熔化规律及组织与工艺、性能间的相互关系，来开发出可行的工艺，才能制造出
40、满足不同强度级别和使用要求的零件。Inconel 718合金的盘类、环类、叶片、轴类和壳体部件被用于下一代火箭发动机零部件。避免大余量切除 l 航天结构件49对于洛克希德马丁空间系统来说，EBAM电子束增材制造最有价值的特点是闭环控制，实时质量监测与反馈。此外，大型锻造压力机的生产能力是有限的，通常要锻造一个罐顶锻件经常需要排队等待几个月，12个月的交货期是常态。相比之下，通过EBAM电子束增材制造的方法（直径16英寸的圆顶）在短短的3小时内就可以制造出来。当然这个圆顶仍然需要后期的热处理，以及机械精加工，并且还需要与另一个圆顶焊接起来。所有的周期加到一起与锻造的时间相比仍然是显著缩短的。钛合
41、金推进器容器的锻造不是近净型的，这意味着锻件的大部分材料都要被机械加工去除，以达到成品零件的要求。这就增加了机加工本身的成本和被机械加工去除的材料成本。3D科学谷认为EBAM电子束增材制造的结果是近净型的，虽然也需要后期的机加工，但是材料去除率与锻件相比是相当少的。DED 定向沉积技术避免大余量切除 l 航天结构件50Norsk Titanium成功通过测试使其成为Thales Alenia Space产品线中通过增材制造结构部件的领先供应商。采用快速等离子体沉积（RPD）技术可使Thales Alenia Space提高运营绩效，并将缩短交货期。NorskTitanium的制造技术通过了FA
42、A认证，是波音公司的一级供应商。除了大型航空航天业制造商，航空航天零件供应商Spirit AeroSystems与NorskTitanium达成合作伙伴关系。Spirit AeroSystems的核心产品包括机身、塔架、机舱和机翼部件，Spirit AeroSystems生产了成千上万的钛零件，预计至少有30的零件可以通过Norsk Titanium的快速等离子沉积技术来制造。DED 定向沉积技术空间打印3D打印在航天领域的应用价值空间打印 l 航天器零件51Made In Space正在与航天机构合作进行Archinaut设备的开发工作，Made In Space的愿景是通过设备中集成的3D
43、打印机与自动化机械臂，在太空轨道上直接进行航天器零部件的制造和装配。Made In Space公司表示，如果在地球上制造航天器，航天器上的结构需要被折叠起来，等到送入太空之后再展开。Archinaut具有的一个优势是直接在太空中进行制造，无需折叠。在打印材料足够充分的情况下，可以制造出非常大的航天器。这种太空直接制造的方式，也减少了对航空器进行“空间优化”的需求，实现全新的航天器设计，同时减少太空发射的成本。未来，Archinaut也可以用于制造和装配卫星中需要升级的零部件。航天器空间打印 l 金属3D打印52伯明翰大学研发的微重力金属3D打印机可以进行铝金属的3D打印，而打印材料并不是铝金属
44、粉末，而是铝金属丝材，金属丝材的3D打印技术为直接能量沉积（DED）3D打印技术。在打印中铝金属丝材被送入3D打印机，加热至其熔点，并挤压成指定形状。随着铝冷却，其表面张力会使打印材料逐层融合在一起，在这个过程中不需要依靠重力。一个需要考虑到的问题是金属3D打印机在国际空间站中的供电需求，研究团队需要确保金属3D打印机的功率小于1500瓦，现阶段研发出的微重力金属3D打印机已实现这个目标，该设备的功率为1300瓦，比一些厨用电热水壶的功率还要小。英国伯明翰大学先进材料和工艺实验室（AMP Lab）的科学家团队已经研发出微重力金属3D打印机，在条件成熟的情况下这台金属3D打印机也将被到国际空间站
45、中。空间打印 l SpiderFab蜘蛛在轨制造空间结构53不用将整个空间结构送入太空，未来火箭可能仅需搭载原材料，然后在轨道上由“蜘蛛制造”系统建造而成。比起平整包装的碳纤维片材，一个完整的无线电天线将占据更多空间。人类很快将能像蜘蛛在地面织网一样，在太空中建造巨大的空间结构。在NASA的资助下，系绳无限公司（Tethers Unlimited）正在研发称为“蜘蛛制造”（SpiderFab）的太空制造系统，可利用蜘蛛形机器人在太空中集成大型空间结构。在轨道上，机器人利用这些材料建造桁架子结构，并将这些子结构组装并集成为大型系统。这种方法的潜在效益很多，主要是可以部署比当前火箭整流罩尺寸大得多
46、的孔径和基线等空间结构。“蜘蛛制造”系统运行方式 “蜘蛛制造”概念的核心是一个多臂机器人，该机器人部署到太空以建造空间结构组件，从一个“喷丝器”排出并熔合碳纤维条，像地球上织网的蜘蛛一样沿着桁架网络爬动，最终对这些组件进行集成，制造出整个物体。空间站空间打印 l 碳纤维增强卫星部件54俄罗斯的一个团队在开发可用在国际空间站（ISS）上的碳纤维增强塑料3D打印技术。该3D打印机将使用复合打印材料为空间站上的微型卫星CubeSat制造技术部件，其具体应用是用于可以用来制造反射器、天线、太阳能电池板。这一点与“蜘蛛制造”系统的具体应用有些类似。项目的参与者包括Skolkovo基金会的Sputnix和
47、Anisoprint和莫斯科理工大学等。Sputnix专门从事高科技微卫星组件开发，Anisoprint主要生产纤维增强的高性能塑料。俄罗斯研发团队的计划是将热塑性塑料与碳纤维两种材料结合起来打印，并最终能够3D打印小卫星的部件，与传统的热塑性塑料相比，这种新材料据说能够将硬度提高十倍，卫星供应链2014年全球前100名航天国防企业的分布55来源：中信建投3D打印领域活跃度高的航天国防机构与企业56美国国家航空航天局（NASA），是美国联邦政府的一个行政性科研机构，负责制定、实施美国的民用太空计划与开展航空科学暨太空科学的研究。美国航天局至今已经成为地球上最权威的航天局，与许多美国国内及国际上
48、的科研机构分享其研究数据。NASA与2012年启动了AMDE-Additive Manufacturing Demonstrator Engine增材制造验证机的计划，3D科学谷了解到原因是因为NASA认为3D打印在制造液态氢火箭发动机方面颇具潜力。在3年内，团队通过增材制造出100多个零件,并设计了一个可以通过3D打印来完成的发动机原型。而通过3D打印，零件的数量可以减少80%，并且仅仅需要30处焊接。3D打印领域活跃度高的航天国防机构与企业57欧洲航天局（ESA，简称欧空局）成立于1975年，是一个致力于探索太空的政府间组织，拥有22个成员国，总部设在法国巴黎。欧洲航天局的太空飞行计划包括
49、载人航天（主要通过参与国际空间站计划）。欧洲航天局提出利用3D打印技术借助月球泥土（名为月壤）创造一系列永久房屋结构-”广寒宫村“，欧洲空间局又与英国喷气引擎公司合作设计Skylon有翼飞行器，其“军刀”引擎的一大亮点是3D打印的喷油器，该喷油器使得引擎在不到0.01秒中就可以得到急速降温。航天飞机可以像普通飞机一样起飞、飞行和着陆。2016年，欧洲航天局在英国基地牛津郡的哈威尔建立了一个新的先进制造实验室，在那里将研究3D打印等先进制造技术用于空间探索的可能性。 欧洲空间局的实验室配备先进的金属3D打印机、强大的显微镜套件、X射线CT机，以及一系列的热处理加热炉。这里研究人员将很方便的进行先
50、进的力学试验，包括拉伸、显微硬度测试。2017年欧洲航天局（ESA）与位于考文垂的英国制造技术中心（MTC）合作，建立了一个“一站式”空间相关应用增材制造中心ESA增材制造中心（AMBC），该新中心由MTC管理，使得ESA和其他空间探索公司能够探索某些项目的3D打印潜力。3D打印领域活跃度高的航天国防机构与企业58GKN（吉凯恩集团）是全球性的工程服务公司，包括航空航天、汽车传动系统、粉末冶金和地面特种车辆四大业务板块。通过多次收购，GKN航空航天业务板块逐渐建立起世界级的服务能力。围绕着强大的航空航天业务版图，GKN打造了三个增材制造卓越中心：GKN美国辛辛那提增材制造卓越中心，GKN 瑞典
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