航天制造領(lǐng)域的3D打印應(yīng)用是怎樣不斷超越自我的？

3D打印之于航天制造，3D打印好比是航天的翅膀，幫助科學(xué)家們實(shí)現(xiàn)飛得更高，飛得更輕松，飛得更安全，看得更遠(yuǎn)的愿望。對(duì)于視頻中的Raul Polit-Casillas來(lái)說(shuō)，3D打印在航天制造領(lǐng)域的應(yīng)用是一個(gè)不斷實(shí)現(xiàn)想象力和創(chuàng)造力自我超越的過(guò)程。

Go Beyond之輕量化結(jié)構(gòu)
不管是蜂窩結(jié)構(gòu)還是點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，這些都通過(guò)3D打印技術(shù)更好的應(yīng)用在航天領(lǐng)域。拿點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，這種材料特點(diǎn)是重量輕、高強(qiáng)度比和高特定剛性。并且?guī)��?lái)各種熱力學(xué)特征，晶格結(jié)構(gòu)的超輕型結(jié)構(gòu)適合用在抗沖擊/爆炸系統(tǒng)、或者充當(dāng)散熱介質(zhì)、聲振、微波吸收結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料的一大應(yīng)用領(lǐng)域是太空探索，空間應(yīng)用要求所使用的材料具有很高的強(qiáng)度、剛度和耐腐蝕性。

不過(guò)理論上3D打印制造成本對(duì)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性不敏感，但就點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的3D打印工作來(lái)說(shuō)，并不是點(diǎn)擊即打印這么簡(jiǎn)單，這是個(gè)充滿挑戰(zhàn)的過(guò)程，需要豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。不僅僅是建模，當(dāng)設(shè)計(jì)趨于復(fù)雜的時(shí)候，制造方面的挑戰(zhàn)就更大了，特別是例如鈦合金這樣的材料，可以表現(xiàn)出顯著的殘余應(yīng)力，所以需要當(dāng)心在一層構(gòu)建完成后，下一層鋪粉的時(shí)候粉刷的材質(zhì)不能過(guò)于剛性，過(guò)于剛性的粉刷容易將點(diǎn)陣的微小結(jié)構(gòu)借助殘余應(yīng)力帶來(lái)的熱變形而將剛剛構(gòu)建好的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步破壞掉。

這方面，不僅僅是Thales Alenia Space將點(diǎn)陣金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)用到歐洲最大的衛(wèi)星制造商Thales Alenia Space的衛(wèi)星上。在點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)胞元性能研究方面，中國(guó)航天科技集團(tuán)五院總體部根據(jù)三維點(diǎn)陣的胞元形式的特點(diǎn)，結(jié)合三維點(diǎn)陣在航天器結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的實(shí)際情況，提出了三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)胞元的表達(dá)規(guī)范，即通過(guò)胞元占據(jù)的空間并結(jié)合胞元桿件的直徑來(lái)表達(dá)三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)胞元的設(shè)計(jì)信息。大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)化的研究方法，使得中國(guó)航天科技集團(tuán)五院總體部在3D打印方面擁有了與西方航天技術(shù)賽跑的競(jìng)爭(zhēng)力。

Go Beyond之更小的衛(wèi)星
通過(guò)開發(fā)更先進(jìn)的制造技術(shù)（如3D打印），衛(wèi)星的外觀越來(lái)越小的趨勢(shì)已經(jīng)顯現(xiàn)。隨著衛(wèi)星技術(shù)與應(yīng)用的不斷發(fā)展，人們?cè)谝�求降低衛(wèi)星成本、減小風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，迫切需要加快衛(wèi)星開發(fā)研制周期。特別是單一任務(wù)的專用衛(wèi)星，以及衛(wèi)星組網(wǎng)，更需要投資小、見效快的衛(wèi)星技術(shù)。小衛(wèi)星技術(shù)因此應(yīng)運(yùn)而生。

圖片：NASA開發(fā)的小衛(wèi)星

在國(guó)內(nèi)，中國(guó)航天科技集團(tuán)五院總體部正在積極的進(jìn)行通過(guò)3D打印立體小衛(wèi)星的布局，從金屬到高性能材料的轉(zhuǎn)換目前是航空航天市場(chǎng)的一大趨勢(shì)。

而不僅僅是3D打印小衛(wèi)星，據(jù)市場(chǎng)研究，NASA還在致力于全3D打印完整的成像望遠(yuǎn)鏡。這種3D打印的方法可以改變系外行星成像的游戲規(guī)則。光學(xué)自由曲面將至關(guān)重要。一方面使得望遠(yuǎn)鏡擁有更大的視野，而且適合尺寸有限的包裝，比如用在現(xiàn)在流行的小衛(wèi)星或者立方體衛(wèi)星上，能夠?yàn)楹教炱鞴?jié)省出更多的空間。

Go Beyond之復(fù)雜的材料實(shí)現(xiàn)性能結(jié)合
在這方面，NASA 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了混合打印多種金屬或合金的3D打印技術(shù)。該技術(shù)將可以解決長(zhǎng)期以來(lái)航天器零部件制造中的一大難題。例如，一個(gè)零件的一側(cè)要具備耐高溫特性，而另一側(cè)要具備低密度特性；或只能在一側(cè)具有磁性。制造這樣的零部件此前只能采用焊接的方法，先分別制造出不同的部件，然后再將它們焊接起來(lái)。但焊縫天然具有缺陷，容易脆化，在高強(qiáng)度壓力下極易導(dǎo)致零件崩潰。NASA正在做一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的3D打印工序，讓新技術(shù)能夠兼容不同的金屬粉末，以便于制造飛行器。借助這項(xiàng)技術(shù)，可以不斷地改變材料的組成。

Go Beyond之一體化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多種功能集成
金屬3D打印可以讓打印部件達(dá)到傳統(tǒng)方式無(wú)法達(dá)到的薄壁、尖角、懸垂、圓柱等形狀的極限尺寸，讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)師有了更大的發(fā)揮空間。在進(jìn)行飛行器中的復(fù)雜零部件設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師由過(guò)去以考慮零部件的可制造性為主，轉(zhuǎn)變?yōu)樵霾脑O(shè)計(jì)思維下的實(shí)現(xiàn)零部件功能性為主。以噴油嘴為例，受到傳統(tǒng)制造技術(shù)的限制，以前的噴油嘴包括通過(guò)焊接組合在一起的三個(gè)部分，不僅無(wú)法避免焊接具有的缺陷，而且會(huì)使噴油嘴的重量增大。而使用金屬3D打印技術(shù)制造噴油嘴，則設(shè)計(jì)師可以將噴油嘴設(shè)計(jì)優(yōu)化為一體的零件，有利于零部件自身的輕量化和性能的提升。正如視頻中的Raul Polit-Casillas所說(shuō)，一體化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)使得傳統(tǒng)的組裝工作變得不再需要。

圖片：NASA開發(fā)的一體化結(jié)構(gòu)零件

Go Beyond之復(fù)雜的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)超材料性能
2017年，美國(guó)航空航天局的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）推出了最新的3D打印開發(fā)結(jié)果：金屬“空間織物”。3D打印的金屬織物：強(qiáng)大、可折疊、反光且高度耐熱，可用于制造未來(lái)的宇航員太空服或航天器的屏蔽和絕緣。

圖片：NASA的Raul Polit-Casillas領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)的金屬織物材料

創(chuàng)新的3D打印金屬材料正是由視頻中的Raul Polit-Casillas領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)的，該團(tuán)隊(duì)由噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)工程師組成，Raul從小成長(zhǎng)在紡織品和面料的環(huán)境中，因?yàn)樗�的母親是時(shí)裝設(shè)計(jì)師。 或許正是這一成長(zhǎng)經(jīng)歷，給他帶來(lái)通過(guò)3D打印金屬織物的靈感，而這一發(fā)現(xiàn)可以為NASA和空間探索提供許多有趣的應(yīng)用。該材料類似于一種正方形的銀色鏈條織物，是使用增材制造過(guò)程創(chuàng)建的，這意味你不需要真正的去“紡織”這些金屬“織物”，而是通過(guò)3D打印技術(shù)將這種紡織的感覺一次性呈現(xiàn)出來(lái)。事實(shí)上，Raul甚至把織物的制造過(guò)程稱為4D打印。

3D打印空間織物目前有四個(gè)主要功能：反射率、折疊率、拉伸強(qiáng)度和被動(dòng)熱管理。后者是一個(gè)至關(guān)重要的特征，由織物的一面用于光反射，而另一側(cè)則吸收熱量。折疊功能也很重要，因?yàn)檫@意味著材料可以輕松地適應(yīng)身體運(yùn)動(dòng)的弧度。

來(lái)源：3D科學(xué)谷