中国实现多材料、多结构、多工艺、多型号卫星3D打印产品在轨应用
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航天五院529厂，是我国卫星、飞船结构研制和生产的重要基地，自2014年开始引入3D打印技术以来，深入开展了3D打印基础研究，取得了一系列的研究成果。截至目前，该厂取得3D打印产品在轨应用的卫星型号已多达6个，它们分别是2018年发射的嫦娥四号中继星、高分十一号， 2019年9月发射的资源一号02D（五米光学卫星），12月发射的中巴地球资源04A星、天琴一号，以及近期由长征五号发射的实践二十号卫星。
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这些应用的实现，预示着该厂正在推动3D打印用于卫星制造的常态化，同时也将我国在该领域的研究推向了世界前沿。本期，3D打印技术参考对其中的关键应用进行介绍。
▌铝合金3D打印拓扑优化产品在轨应用
2018年5月21日，嫦娥四号中继星“鹊桥”在西昌卫星发射中心成功发射。这是航天529厂首次实现3D打印产品的在轨应用，为嫦娥四号探测器在月球背面与地球的测控通信和数据传输发挥了作用。
2018年6月14日，中继星成功实施轨道捕获控制
动量轮支架传统上是由铝合金棒料机械加工而成的整体式薄壁零件，该结构形式的支架减重设计是在侧壁上开形状规则的减重孔及减小壁厚，壁厚太薄及减重孔太多时，支架加工过程容易发生变形，最终成形精度难以保证。
斜装动量轮支架优化前模型与拓扑优化基础模型（来源：altair）
针对该问题，北京航天东方红卫星有限公司开展了面向增材制造的斜装动量轮支架轻量化设计。工程师首先确认了动量轮支架的设计空间、非设计空间、施加载荷及约束，然后进行了拓扑优化和重构，最终由529厂采用铝合金3D打印生产和制造。
动量轮支架打印成品及在中继星上的装配图（来源：altair）
按照卫星产品的研制规范，3D打印的铝合金动量轮支架接受了上星验证、力学验证、飞行验证等各项航天级环境试验，成功随嫦娥四号中继卫星飞行并执行既定任务。
在此之后的2018年7月，高分十一号卫星由长征四号乙运载火箭发射成功，该卫星同样搭载有3D打印的产品，将为“一带一路”等国家重大计划的实施提供信息保障。
▌铝合金点阵结构，钛合金激光送粉、铺粉3D打印产品在轨应用
2019年12月20日，长征四号乙运载火箭在太原卫星发射中心，成功执行“一箭九星”任务，其中中巴地球资源04A卫星搭载粉末床激光熔融技术制造的拓扑优化蒙皮+点阵结构，“天琴一号”技术试验卫星搭载分别由粉末床激光熔融技术和激光同步送粉技术制造的钛合金结构板框架。
中巴地球资源04A卫星（来源：中国航天科技集团）
2019年12月27日，长征五号遥三运载火箭在中国文昌航天发射场将实践二十号卫星顺利送入预定轨道。该卫星将对我国自主研发的新一代大型地球同步轨道卫星平台—东方红五号卫星公用平台进行全面在轨验证，对提升新技术成熟度、促进新技术应用、进一步推动我国航天技术发展具有重要意义。实践二十号卫星搭载的是采用粉末床激光熔融技术制造的铝合金小型拓扑优化支架。
实践二十（来源：中国航天科技集团）
与传统铸造构型相比，带有3D打印蒙皮三维点阵的新型结构具有高刚强度，重量更轻，基频更高，研制周期更短，3D打印技术的优势得到充分发挥。
3D打印的钛合金主承力框架和短承力框架，组织致密，内部晶粒细小，力学性能达到锻件标准。
▌困难与挑战
2019年两次发射任务所携带的3D打印产品，从铝合金蒙皮点阵轻量化结构到激光送粉与铺粉制造的钛合金框架，均系首次在轨应用，同时验证了特定材料下的轻量化结构与不同工艺制造的钛合金的可靠性。这是继去年嫦娥四号中继星后，航天529厂取得的又一3D打印重大型号应用。
3D打印的星敏支架（示意）（来源：通信卫星事业部机械工程研究室团支部）
在此次面向3D打印产品的设计与制造过程中，工程师面临拓扑优化的产品刚性弱与成型困难以及性能要求高的问题。面对诸多困难，公司迎难而上，进行了深入分析和攻关，充分发挥了多年的宇航研制技术基础，在完备的科研体系支撑下，最终3D打印产品的各项技术指标均满足设计要求，并获得了上星许可。
此外，2019年9月发射的资源一号02D也采用了3D打印制造的拓扑优化斜装动量轮支架和直装动量轮支架。
▌航天领域3D打印应用的常态化
多年来，529厂先后依托总装3D打印技术应用推广项目、装发先进制造课题、科技部重点研发计划、载人航天第三批/四批预研课题等，开展了大量3D打印技术的预先研究，并将课题成果成功转化应用于型号产品研制，在多种金属3D打印技术以及基于FDM的空间3D打印技术方面取得重要突破。材料涵盖高强铝合金、钛合金、高温合金、不锈钢、铝基碳化硅复合材料、连续纤维增强复合材料等多种高性能材料，型号应用领域不断扩大。
中国通信卫星发展历程（来源：通信卫星事业部机械工程研究室团支部）
到目前为止，529厂已在载人航天、深空探测、遥感、通信等多个领域的初样、正样产品研制中得到广泛应用，涉及型号近20个，各状态交付产品500余件。
在2020年将要发射的多个航天器将继续搭载3D打印的产品。未来，我们相信，3D打印产品的在轨应用将常态化。
