推动突破极限，洞悉3D打印卫星的技术现状、挑战与展望
根据3D科学谷的市场观察，3D打印在卫星尤其是小卫星方面的应用越来越深化，国内方面，2021年12月，由铂力特打印、星众空间出品的“灵巧号”太空实验卫星搭载由陕西第一家商业火箭公司陕西华羿鸿达科技发射的“华羿一号”亚轨道火箭在西北某试验场成功实施首次飞行。金属3D打印的“灵巧号”卫星（Agile Testbed），是星众空间专为生物、医药、材料、能源等太空实验设计的卫星平台。
2022年3月，我国在西昌卫星发射中心用长征二号丙运载火箭，成功将我国首次批量研制的六颗低轨宽带通信卫星——银河航天02批批产卫星送入预定轨道，任务获得圆满成功。
根据3D科学谷的了解，几乎所有今天建造的卫星都至少有一些 3D 打印部件，尽管大多数仍然是相对简单的机械支架系统，用于将航天器的结构保持在一起。3D科学谷在《洞察目前国内卫星3D打印应用的技术逻辑与商业价值》一文中分享了3D打印的技术和商业逻辑，本期，3D科学谷与谷友深度领略3D打印卫星的现状与技术展望。
现状、挑战与趋势
3D打印不仅仅实现点阵结构这样的轻量化结构，在卫星制造方面的应用技术逻辑还包括：一体化结构实现、高附加值零件制造、动力结构制造等等。
3D科学谷
现状
3D 打印-增材制造可以将多个波导合并到一个单元中，从而促进系统集成和优化重量。但就在大约2016年前，3D打印结构的使用在很大程度上是实验性的，在具有健康风险偏好的太空任务和有效载荷中飞行的应用的3D打印部件很少。
随着增材制造技术的发展及商业航天探索的投入，增材制造组件已成为其制造的所有卫星的标准，根据3D科学谷的了解，到 2020 年，增材制造组件约占典型航天器组件的三分之一。
▲3D 打印可以将多个波导合并到一个单元中，从而促进系统集成和优化重量
© Swissto12
随着增材制造的进步，卫星上3D 打印部件的数量正在增长。卫星制造正在采用3D打印技术来降低成本并加快生产能力越来越强的航天器。可以说增材制造技术的进步正在为卫星以及可以在轨道上打印零件的未来铺平道路。那么距离 3D 打印整个卫星有多近？
▲3D 打印卫星用塞式喷管发动机
© Fraunhofer
这是一个难以回答的问题，尤其是因为卫星上的部件数量因其大小和复杂性而有很大差异，范围从简单的基础结构到复杂的半导体。
▲3D 打印在卫星方面的应用
© 3D科学谷白皮书
案例：千乘一号
根据3D科学谷之前的分享，2019年8月17日，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，也是发射前最大的增材制造一体成形卫星结构。
整星增材制造工作委托西安铂力特增材技术股份有限公司完成，该卫星所有结构由铂力特四光束3D打印设备BLT-S600一炉内完成打印制造，零件最小特征仅为0.5mm。零件整体轮廓尺寸大，内部轻量化点阵胞元结构尺度小，整星超过100万个点阵特征，增材成形难度大，从稳定性、精度、周期等指标上对打印设备及工艺能力要求极高。
案例：Maxar
由于卫星的尺寸和复杂程度不同，3D打印的应用程度也各有不同。Cubesat 部件可以包含数百个组件，而更大的卫星可以从数万到数十万”用于旗舰任务，例如刚刚发射的价值 100 亿美元的詹姆斯韦伯太空望远镜。
根据3D科学谷的市场了解，国际上Maxar 在卫星上使用的第一个 3D 打印金属部件由钛合金制成，并于 2016 年在为日本 Sky Perfect JSAT 建造的通信卫星 JCSAT-15 上发射。自那时以来，Maxar 在发射的 20 多颗卫星上使用了由铝、钛和塑料制成的增材制造部件——总共有 5,800 个在轨部件。
将 3D打印用于太空制造，因为增材制造这种技术提高了生产的灵活性，降低了成本并提高了性能，制造 3D 打印组件需要更少的人员和更便宜的材料，这些组件通常有多种用途，减少了硬件数量和整体组件的复杂性。
挑战
那么3D打印的优势如此明显，当前存在什么样的挑战和制约因素呢？
根据3D科学谷的了解，缺乏卫星标准化也是实现 3D 打印提供的规模经济优势的障碍。这不像 3D 打印火箭发动机，而卫星尚未标准化到可以从中受益匪浅的水平。
即使对于小型卫星制造商来说，当前使用3D打印机生产零件也可能需要人工操作员进行大量干预，这可能会增加而不是节省成本。
另外一个最大的障碍是成本，尽管进行了改进，但除非大规模进行卫星的3D打印，否则成本的下降将不会很快发生。
为了实现批量化3D打印卫星的目标，业界需要研究至少有一百颗卫星的更大计划，每颗卫星都有许多相同的部件，并且卫星设计/架构已经针对 3D 打印进行了优化。
另外转向3D打印-增材制造需要重新设计符合太空要求的部件，然后在轨道上进行测试，然后才能更广泛地使用。这其中所涉及的风险、时间和成本目前还无法证明快速转向 3D 打印的合理性。
然而正如5年前业界还很少将3D打印用于发射的卫星上，5年后的今天已经获得大为改观一样，虽然3D打印暂时不能为卫星制造节省大量成本，但业界正在探索该领域，因为可能会在未来 5-10 年内发生变化。
▲3D 打印金属天线
© Swissto12
案例：Fleet Space
国际上Fleet Space在2021年12月的B轮融资中筹集了超过 2600 万美元后不久，这家初创公司宣布了第二代星座的计划，据称该星座将包括第一批完全通过 3D打印制造的卫星。3D科学谷了解到Fleet Space 3D 打印卫星天线使其每公斤航天器的传输能力提高 10 倍。
这个升级后的星座中的第一颗小型卫星被称为阿尔法，目标是在 12 个月内准备好发射，以加入目前在轨的六个半人马座立方体卫星。
不过目前或者在未来许多年内，强大的半导体不太可能进行 3D 打印，因此卫星本身将始终具有非3D打印的部分。
根据3D科学谷的了解，在南澳大利亚当地政府投资约 1400 万澳元的情况下，Fleet Space正在专注于射频元件（天线等）的3D打印，这些元件实际上对 3D打印来说比其他任何东西都复杂得多（几何形状非常复杂），Fleet Space现在拥有3D打印它们的专利。然后Fleet Space转向结构、双工器，现在Fleet Space还在探索整个电子元件的3D打印。
▲3D 打印天线
© 3D科学谷白皮书
根据 Fleet Space，每颗 Alpha卫星将拥有多达 64 3D 打印天线，这使得它能够提供比其最近的Centauri 卫星高 16 倍的性能，而重量只有四倍。
展望
当前，3D打印高性能卫星必须克服的技术障碍是相当大的，有些特殊零部件可能需要新的增材制造工艺。然而，人类是充满想象力和探索精神的动物，3D打印卫星的强大诱惑力是存在的，如果有一天能够在轨道上自主建造卫星，会继续吸引那些希望突破可能极限的投资。
知之既深，行之则远，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察，有关航天增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的《3D打印与航天研发与制造业白皮书第二版》。
延伸阅读:
“十四五”国家重点研发计划“增材制造与激光制造”重点专项2022年度项目申报指南（征求意见稿）
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