根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，3D打印在衛(wèi)星尤其是小衛(wèi)星方面的應(yīng)用越來越深化，國內(nèi)方面，2021年12月，由鉑力特打印、星眾空間出品的“靈巧號”太空實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星搭載由陜西第一家商業(yè)火箭公司陜西華羿鴻達(dá)科技發(fā)射的“華羿一號”亞軌道火箭在西北某試驗(yàn)場成功實(shí)施首次飛行。金屬3D打印的“靈巧號”衛(wèi)星（Agile Testbed），是星眾空間專為生物、醫(yī)藥、材料、能源等太空實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的衛(wèi)星平臺。

2022年3月，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丙運(yùn)載火箭，成功將我國首次批量研制的六顆低軌寬帶通信衛(wèi)星——銀河航天02批批產(chǎn)衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，任務(wù)獲得圓滿成功。

根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，幾乎所有今天建造的衛(wèi)星都至少有一些 3D 打印部件，盡管大多數(shù)仍然是相對簡單的機(jī)械支架系統(tǒng)，用于將航天器的結(jié)構(gòu)保持在一起。3D科學(xué)谷在《洞察目前國內(nèi)衛(wèi)星3D打印應(yīng)用的技術(shù)邏輯與商業(yè)價值》一文中分享了3D打印的技術(shù)和商業(yè)邏輯，本期，3D科學(xué)谷與谷友深度領(lǐng)略3D打印衛(wèi)星的現(xiàn)狀與技術(shù)展望。

衛(wèi)星類型

現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)與趨勢

根據(jù)3D科學(xué)谷，3D打印不僅僅實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)這樣的輕量化結(jié)構(gòu)，在衛(wèi)星制造方面的應(yīng)用技術(shù)邏輯還包括：一體化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)、高附加值零件制造、動力結(jié)構(gòu)制造等等。

/現(xiàn)狀

3D 打印-增材制造可以將多個波導(dǎo)合并到一個單元中，從而促進(jìn)系統(tǒng)集成和優(yōu)化重量。但就在大約2016年前，3D打印結(jié)構(gòu)的使用在很大程度上是實(shí)驗(yàn)性的，在具有健康風(fēng)險偏好的太空任務(wù)和有效載荷中飛行的應(yīng)用的3D打印部件很少。

隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展及商業(yè)航天探索的投入，增材制造組件已成為其制造的所有衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，到 2020 年，增材制造組件約占典型航天器組件的三分之一。

3D 打印可以將多個波導(dǎo)合并到一個單元中，從而促進(jìn)系統(tǒng)集成和優(yōu)化重量

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隨著增材制造的進(jìn)步，衛(wèi)星上3D 打印部件的數(shù)量正在增長。衛(wèi)星制造正在采用3D打印技術(shù)來降低成本并加快生產(chǎn)能力越來越強(qiáng)的航天器?？梢哉f增材制造技術(shù)的進(jìn)步正在為衛(wèi)星以及可以在軌道上打印零件的未來鋪平道路。那么距離 3D 打印整個衛(wèi)星有多近？

這是一個難以回答的問題，尤其是因?yàn)樾l(wèi)星上的部件數(shù)量因其大小和復(fù)雜性而有很大差異，范圍從簡單的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)到復(fù)雜的半導(dǎo)體。

3D 打印在衛(wèi)星方面的應(yīng)用

I 案例：千乘一號

根據(jù)3D科學(xué)谷之前的分享，2019年8月17日，捷龍一號遙一火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心點(diǎn)火起飛，以“一箭三星”的方式將“千乘一號01星”衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，發(fā)射取得圓滿成功。千乘一號衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)是目前國際首個基于3D打印點(diǎn)陣材料的整星結(jié)構(gòu)，千乘一號衛(wèi)星入軌運(yùn)行穩(wěn)定，標(biāo)志著用于航天器主承力結(jié)構(gòu)的3D打印三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)技術(shù)成熟度達(dá)到九級，即實(shí)際系統(tǒng)成功完成使用任務(wù)。

千乘一號整星結(jié)構(gòu)采用面向增材制造的輕量化三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，整星結(jié)構(gòu)通過鋁合金增材制造技術(shù)一體化制備。傳統(tǒng)微小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)重量占比為20%左右，整星頻率一般為70Hz左右。千乘一號微小衛(wèi)星的整星結(jié)構(gòu)重量占比降低至15%以內(nèi)，整星頻率提高至110Hz，整星結(jié)構(gòu)零部件數(shù)量縮減為5件，設(shè)計(jì)及制備周期縮短至1個月。整星結(jié)構(gòu)尺寸超過500mm×500mm×500mm包絡(luò)尺寸，也是發(fā)射前最大的增材制造一體成形衛(wèi)星結(jié)構(gòu)。

整星增材制造工作委托西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司完成，該衛(wèi)星所有結(jié)構(gòu)由鉑力特四光束3D打印設(shè)備BLT-S600一爐內(nèi)完成打印制造，零件最小特征僅為0.5mm。零件整體輪廓尺寸大，內(nèi)部輕量化點(diǎn)陣胞元結(jié)構(gòu)尺度小，整星超過100萬個點(diǎn)陣特征，增材成形難度大，從穩(wěn)定性、精度、周期等指標(biāo)上對打印設(shè)備及工藝能力要求極高。

I 案例：Maxar

由于衛(wèi)星的尺寸和復(fù)雜程度不同，3D打印的應(yīng)用程度也各有不同。Cubesat 部件可以包含數(shù)百個組件，而更大的衛(wèi)星可以從數(shù)萬到數(shù)十萬”用于旗艦任務(wù)，例如剛剛發(fā)射的價值 100 億美元的詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場了解，國際上Maxar 在衛(wèi)星上使用的第一個 3D 打印金屬部件由鈦合金制成，并于 2016 年在為日本 Sky Perfect JSAT 建造的通信衛(wèi)星 JCSAT-15 上發(fā)射。自那時以來，Maxar 在發(fā)射的 20 多顆衛(wèi)星上使用了由鋁、鈦和塑料制成的增材制造部件——總共有 5,800 個在軌部件。

2018 年發(fā)射的 Hispasat 30W-6 衛(wèi)星的天線塔由 200 多個增材制造部件組成。

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將 3D打印用于太空制造，因?yàn)樵霾闹圃爝@種技術(shù)提高了生產(chǎn)的靈活性，降低了成本并提高了性能，制造 3D 打印組件需要更少的人員和更便宜的材料，這些組件通常有多種用途，減少了硬件數(shù)量和整體組件的復(fù)雜性。

/挑戰(zhàn)

那么3D打印的優(yōu)勢如此明顯，當(dāng)前存在什么樣的挑戰(zhàn)和制約因素呢？

根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，缺乏衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)化也是實(shí)現(xiàn) 3D 打印提供的規(guī)模經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢的障礙。這不像 3D 打印火箭發(fā)動機(jī)，而衛(wèi)星尚未標(biāo)準(zhǔn)化到可以從中受益匪淺的水平。

即使對于小型衛(wèi)星制造商來說，當(dāng)前使用3D打印機(jī)生產(chǎn)零件也可能需要人工操作員進(jìn)行大量干預(yù)，這可能會增加而不是節(jié)省成本。

另外一個最大的障礙是成本，盡管進(jìn)行了改進(jìn)，但除非大規(guī)模進(jìn)行衛(wèi)星的3D打印，否則成本的下降將不會很快發(fā)生。

為了實(shí)現(xiàn)批量化3D打印衛(wèi)星的目標(biāo)，業(yè)界需要研究至少有一百顆衛(wèi)星的更大計(jì)劃，每顆衛(wèi)星都有許多相同的部件，并且衛(wèi)星設(shè)計(jì)/架構(gòu)已經(jīng)針對 3D 打印進(jìn)行了優(yōu)化。

另外轉(zhuǎn)向3D打印-增材制造需要重新設(shè)計(jì)符合太空要求的部件，然后在軌道上進(jìn)行測試，然后才能更廣泛地使用。這其中所涉及的風(fēng)險、時間和成本目前還無法證明快速轉(zhuǎn)向 3D 打印的合理性。

然而正如5年前業(yè)界還很少將3D打印用于發(fā)射的衛(wèi)星上，5年后的今天已經(jīng)獲得大為改觀一樣，雖然3D打印暫時不能為衛(wèi)星制造節(jié)省大量成本，但業(yè)界正在探索該領(lǐng)域，因?yàn)榭赡軙谖磥?5-10 年內(nèi)發(fā)生變化。

3D 打印金屬天線

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I 案例：Fleet Space

國際上Fleet Space在2021年12月的B輪融資中籌集了超過 2600 萬美元后不久，這家初創(chuàng)公司宣布了第二代星座的計(jì)劃，據(jù)稱該星座將包括第一批完全通過 3D打印制造的衛(wèi)星。3D科學(xué)谷了解到Fleet Space 3D 打印衛(wèi)星天線使其每公斤航天器的傳輸能力提高 10 倍。

這個升級后的星座中的第一顆小型衛(wèi)星被稱為阿爾法，目標(biāo)是在 12 個月內(nèi)準(zhǔn)備好發(fā)射，以加入目前在軌的六個半人馬座立方體衛(wèi)星。

不過目前或者在未來許多年內(nèi)，強(qiáng)大的半導(dǎo)體不太可能進(jìn)行 3D 打印，因此衛(wèi)星本身將始終具有非3D打印的部分。

根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，在南澳大利亞當(dāng)?shù)卣顿Y約 1400 萬澳元的情況下，F(xiàn)leet Space正在專注于射頻元件（天線等）的3D打印，這些元件實(shí)際上對 3D打印來說比其他任何東西都復(fù)雜得多（幾何形狀非常復(fù)雜），F(xiàn)leet Space現(xiàn)在擁有3D打印它們的專利。然后Fleet Space轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)、雙工器，現(xiàn)在Fleet Space還在探索整個電子元件的3D打印。

3D 打印天線

根據(jù) Fleet Space，每顆 Alpha衛(wèi)星將擁有多達(dá) 64 3D 打印天線，這使得它能夠提供比其最近的Centauri 衛(wèi)星高 16 倍的性能，而重量只有四倍。

/展望

當(dāng)前，3D打印高性能衛(wèi)星必須克服的技術(shù)障礙是相當(dāng)大的，有些特殊零部件可能需要新的增材制造工藝。然而，人類是充滿想象力和探索精神的動物，3D打印衛(wèi)星的強(qiáng)大誘惑力是存在的，如果有一天能夠在軌道上自主建造衛(wèi)星，會繼續(xù)吸引那些希望突破可能極限的投資。