盘点︱3D打印技术在世界各国航天领域的应用 

由 3D打印联盟智库 发布于 2020-10-26 09:23 

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编者按:本文来自微信公众号“3D打印联盟智库”(ID:iPrinting)作者:晚风饮墨香,3D打印资源库经授权发布。

3D打印技术作为航天领域备受推崇的技术之一,有力推动了世界航天领域的快速发展,本期我们就带大家盘点一下3D打印技术在世界航天领域的应用情况。

美国
美国Relativity是全球航天领域的明星企业,非常热衷于3D打印技术在航天领域的探索与应用。他们利用3D打印技术制造的火箭发动机和助推器,将运载火箭的零件数量从10万个降低到1000个以下,零件数仅为原来的1%,不仅提高了火箭发动机的效率,而且通过零件的重新设计或结构改造,有效降低了火箭发动机重量,可谓是两全其美。
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美国政府对于民营航天企业的支持力度非常之大, Relativity研发的一款液氧甲烷火箭发动机Aeon 1,在NASA的测试平台成功进行了测试。据悉Aeon 1只有100个零件,采用3D打印技术进行制造,周期仅为20天。19年美国火箭爱好者曾对全球3D打印发动机进行了排名,Aeon1表现出色,位居榜首。

英国
英国火箭公司Orbex在19年发布的新一代小型卫星发射器(Prime small-satellitelauncher)中的火箭发动机采用3D打印技术制造,通过零件结构优化设计,与目前正在开发的其他小型卫星发射装置相比,Prime的不仅整体重量将减少30%,燃油效率将提高20%,而且由于是整体3D打印火箭发动机,避免了焊接等造成的缺陷。Orbex航天工程师也将密切关注3D打印技术的发展,设计并优化专门使用与3D打印的零件几何特征。
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德国
作为老牌工业强国,德国对3D打印技术在航天领域的应用也不甘示弱。柏林新星工程公司CellCore通过放生工程并借鉴自然结构原理,通过专业计算手段有针对性的对零件结构进行量身定制优化,开发出的火箭发动机,燃烧室内设计有冷却通道,并可与推力室采用3D打印技术一体化成形,成形周期由之前的6个月缩短至现在的5天。
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一体式火箭推进发动机结合了喷射器和推力室,将众多独立零件集成简化一个零件,其多功能轻量化结构只有通过SLM工艺才能实现。

中国
作为航天大国,中国在航天领域的成就举世瞩目,我们不仅有了完善的火箭推进技术,卫星发射技术,成功开发了自主知识产权的北斗导航系统,而且我们还在逐步建设空间站,进行嫦娥探月及火星登录探索计划,这一列成就离不开新技术的发展与应用,这其中就有3D打印的身影。
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长征五号的发射成功让中国步入“大航天时代”。长征五号研制全程共突破了240多项关键技术,其中钛合金芯级捆绑支座为运载火箭的主承力构件,采用了3D打印技术进行制备,不仅强度更高,加工速度更快,重量还比原来的高强钢设计减少30%。
航天科技一院长征五号运载火箭总设计师李东曾经介绍称3D打印将为今后火箭的主承力部段轻量化结构设计与制造,提供强有力的技术支撑。

此外由中国航天科技集团研发的世界首例卫星主体轻量化点阵结构也是采用金属3D打印技术制备,采用点阵网格优化设计成功实现了减重目标。
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2019年8月17日12时11分,捷龙一号遥一火箭在酒泉卫星发射中心点火起飞,以“一箭三星”的方式将“千乘一号01星”卫星送入预定轨道,发射取得圆满成功。千乘一号卫星主结构是目前国际首个基于3D打印点阵材料的整星结构,千乘一号卫星入轨运行稳定,标志着用于航天器主承力结构的3D打印三维点阵结构技术成熟度达到九级,即实际系统成功完成使用任务。

千乘一号整星结构采用面向增材制造的轻量化三维点阵结构设计方法进行设计,整星结构通过铝合金增材制造技术一体化制备。传统微小卫星结构重量占比为20%左右,整星频率一般为70Hz左右。千乘一号微小卫星的整星结构重量占比降低至15%以内,整星频率提高至110Hz,整星结构零部件数量缩减为5件,设计及制备周期缩短至1个月。整星结构尺寸超过500mm×500mm×500mm包络尺寸,也是目前最大的增材制造一体成形卫星结构。

在千乘一号小卫星结构设计过程中采用了宏细观一体化优化方法等前沿技术,考虑了3D打印工艺约束与整星装配约束,在点阵材料细观构型与连接结构方面实现创新设计。目前,已将该方法也应用于卫星整星结构、相变储能热控结构与有效载荷支架结构,相比传统设计与制造技术,实现结构减重30%-60%。
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千乘一号小卫星结构由航天五院总体部机械系统事业部负责研制。航天五院总体部机械系统事业部是我国航天器空间机械产品研制的核心部门,近年来在面向3D打印的航天器轻量化结构设计与评价方面开展了大量的研究工作,突破了基于三维点阵材料的整体结构设计技术。

上述案例仅代表着3D打印技术在航天领域的部分应用情况,随着3D打印技术的不断发展,航天设计工程师对3D打印的认知程度不断加深,应用效益得到扩大,越来越多的应用将会采用3D打印技术制备,在未来可预见的时间内, 3D打印技术在航天领域的应用将会呈现出爆发式的增长。

在中国航天领域不仅仅有国家对的航天企业,民营航天科技企业在3D打印应用方面也非常积极,其中2019年10月,民营航天企业深蓝航天对液氧煤油发动机进行推力室长程试车,试验取得圆满成功。2019年11月30日,蓝箭航天“天鹊”10吨级液氧甲烷发动机(TQ-11)全系统热试车成功。这些企业也都采用了3D打印技术用以制备火箭发动机的零部件,效果明显,令人振奋。

3D打印技术在航空航天领域的应用如火如荼,主要是3D打印技术本身自有的优势,具体优势详情可阅读 金属增材制造技术在航空航天领域的应用优势 这篇文章详细了解。

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