太空探索中的增材制造

当前的我们正处于一场新的、激动人心的全球太空竞赛之中。在上世纪50年代和60年代，美国和前苏联进行了一次全面的太空竞赛，双方的目标都是希望让自己的宇航员成为第一个进入太空的人，然后成为第一个登上月球的人。

现在，以私营和小型公司为主导的新太空竞赛，将使用更小、更灵活的运载火箭实现太空飞行。激光增材制造或3D打印是这些公司采用的理想技术，可用于太空飞行器的快速设计和构建制造过程。同时，因为这些创新型和规模较小公司的资本支出和可使用的资源有限，因此增材制造技术是理想的选择。

在传统制造业中，用于太空探索的火箭飞船使用了众所周知的成熟制造工艺。对于火箭筒段，通过凸块成型和剪切后的铝板通常使用摩擦搅拌焊进行焊接；对于等栅格结构，凹槽会由厚板加工而成；对于圆顶，将使用焊接和热旋压成型。以上这些流程涉及的原材料、加工、清洁和检查时间，都需要预留出提前期。任何一个或所有这些过程的提前期的减少不仅会导致总提前期的减少，而且还为验证测试、热火测试和车辆集成提供额外的时间。

然而，航空航天领域可以使用增材制造生产太空探索组件包括推进装置和结构组件。对于推进装置特别是火箭发动机，使用增材制造的优势十分明显：减少零件总数（减少制造缺陷的风险，与数百个零件相比，只需要处理几十个零件）、设计简化、能够以独特的悬垂角度打印冷却通道，并提高推力。

使用专为增材制造设计的优异材料，可以让火箭发动机获得更好的热容量和强度，提高效率。因此，通过增材制造生产的火箭发动机可以到达更高的轨道或能够运输更大的有效载荷。对于包括火箭车辆的油箱和枪管部分在内的结构部件，使用增材制造可以消除用于金属板成型的工具和用于搅拌摩擦焊的夹具成本，这些额外的工具成本预计在200万美元。

另一个现实案例是正在火星上的毅力漫游车，这台车的11个部件是由激光增材制造工艺生产的。此外，宇航员已经成功地在国际空间站上打印了聚合物和陶瓷部件。在地球上，我们已经能够用陶瓷打印低成本的房屋，因此这很可能会转化为下一个合乎逻辑的步骤：在月球或火星等其他行星上实现3D打印。使用本地原料再在外星上打印显然会更容易，而不是在发射、飞行和着陆期间处理原材料。

值得注意的是，传统制造流程整体交付时间的缩短将提升用于太空探索的飞行窗口数量。运载火箭可用性的增加、更高的轨道和更大的有效载荷，也为客户提供了更多进入太空的机会，无论是太空旅游还是卫星客户。

作者：Eliana Fu（通快航空航天和医疗行业经理）

来源：荣格-《国际工业激光商情》


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