在9月18日的中国航天大会上，2020年宇航领域十大科学问题和技术难题发布，面向空间超大型天线结构的在轨增材制造技术与超大型空间光学装置在轨组装和维护技术被纳入其中。这两项技术，均属于空间在轨制造范畴。 据介绍，十大科学问题和技术难题是由中国航天大会学术委员会的院士、专家以“面向2050年对航天技术发展具有导向作用，对航天技术或产业创新具有关键作用，切中航天技术发展重点和要点，具有代表性”为重要评判标准，对宇航领域科学问题和技术难题征集活动中所提交的材料进行审慎评议后最终确定的。 空间在轨增材制造的需求   随着我国在轨任务需求的增长和规模的扩大，在可以预见的未来将会有更多且更大的空间系统在轨运行，如大口径空间望远镜、超大型通信卫星天线、超大型太空发电站等。 在大型构件的在轨组装方面，受火箭推力、整流罩包络及机构复杂度的影响，未来深空探测、天文观测、战略侦察等工程所需的大面积、大跨度空间结构一次性实现在轨布署有较大的难度。空间在轨增材制造、在轨组装可将单次/多次发射入轨的结构模块、功能模块等基本单元依序组装成期望的大型空间系统。 詹姆斯·韦伯太空望远镜的直径为6.5米，目前我国运载能力最大的火箭长征五号内部直径为4.5米 另一方面，航天器的质量往往非常大，但实际上在空间微重力环境下并不一定需要结构非常强，航天器的结构做的很重、很大，是因为要经受住航天发射过程中巨大的冲击。如果能够实现空间在轨制造，也将大大减轻航天发射的成本。 空间在轨增材制造属于在轨制造的一种重要形式，它将有效解决未来空间超大型天线系统建设的难题，为超大型空间结构的在轨建设和维护提供有效手段，对推动我国天文观测、空间太阳能发电等领域技术发展与应用具有重要作用。 太空发电站效果图 空间在轨增材制造的技术途径   目前在轨制造主要通过真空增材制造设备或机器人实现。通过在“国际空间站”上的增材制造设备制造零部件，区别于地面的核心在于保证微重力、真空条件下制造零部件的力学性能；通过机器人在轨制造，即采用具有增材制造功能的多臂机器人，利用碳纤维等材料建造桁架子结构，并将这些子结构组装成为大型系统。 目前，空间站中的增材制造已经被普遍证实可行；美国、俄罗斯、中国的航天机构已完成熔融沉积、光固化以及生物3D打印等的在轨制造实验；德国宇航中心也已在开展微重力条件下的金属粉末床熔融工艺。 在空间站或飞船内部进行3D打印 利用机器人进行在轨制造则可以追溯到1993年，德国通过地面操作太空机器人完成预定任务，随后日本、加拿大、美国、俄罗斯、中国也进行了相关研究与探索。机器人的主要形式经历了从单机械臂到双机械臂到目前多机械臂的发展，任务形式也从在轨捕获、在轨维修，发展到在轨组装，也即机器人在轨增材制造。 空间机器人通过在轨增材制造实现大型航天器构建 NASA大型结构机器人在轨装配项目   2015年7月，NASA启动“大型结构系统太空装配”项目，旨在实现大型模块化结构系统在太空中的自动装配、服务保障、翻新、重构以及再利用。 NASA授予太空制造公司（Made in Space）价值2000万美元、为期两年的“建筑师”项目合同，研发装有机械臂的3D打印机，并将其安装在国际空间站外部分离舱。这种太空制造与装配设施将使NASA和私营公司仅需将增材制造所需的原材料和某些高价值部件（如传感器、电子元器件和电池）发送至太空，便可以在太空中用机械臂将这些零部件与增材制造的零部件装配起来。“建筑师”项目官方名称为“多功能太空机器人精确制造与装配系统”，是NASA“临界点”计划选取的3个在轨机器人制造与组装航天器和结构相关项目之一。 Made in Space空间机器人演示在轨增材制造 美国Tethers Unlimited公司正在研究的在轨制造系统——“蜘蛛制造”，将利用蜘蛛状机器人在轨进行大型空间结构如天线、电池板、桁架和其他多功能结构的制造与组装。只需要将原材料送入轨道，即可由机器人利用增材制造技术在轨制造，并将制造的零部件装配成大型系统。“蜘蛛制造”已完成机器人样机制造，进行了地面演示，验证了“蜘蛛制造”概念关键工艺的基本可行性。该公司从2016年开始制造第二代机器人原型。 空间在轨增材制造地面试验 中国空间站机器人系统   中国非常重视空间机器人系统的研制，在载人航天空间站规划了大型、中型两套空间机械臂系统，也利用载人飞行器开展了空间机器人相关技术的在轨验证。 2013年，我国首个空间机器人成功发射，并圆满完成各项任务；2015年，我国自主研发首个全自由度空间机器人系统；同年，我国空间站大型机械臂初样阶段研制获重大突破，目前已进入正样阶段；2016年，天宫二号搭载空间机械手通过人机协同完成多次在轨维修和装配任务。 2015年国产空间机器人首度报道公开 中国载人航天空间站在建造阶段将配备核心舱 、 实验舱机械臂两套机器人系统。核心舱机械臂主要用来完成空间站舱段转位与辅助对接、悬停飞行器捕获与辅助对接、支持航天员EVA等；实验舱机械臂主要用以暴露载荷照料、光学平台照料、载荷搬运、支持航天员EVA等活动。核心舱机械臂和实验舱机械臂展开长度分别约为10m和5m，最大在轨载荷分别为25000 kg和3000kg，均具有7个自由度，可完成空间站的维修维护任务。 空间机器人是实现空间操控自动化和智能化的重要手段之一。在当前在轨应用及验证的基础上，未来空间机器人的应用方向将从空间目标的抓捕与移除、高价值目标的在轨服务与维修发展到空间大型构件的在轨组装等任务，空间机器人也将成为空间在轨增材制造的关键。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.南航：系统论述航空航天增材制造3类典型材料及应用挑战 2.航天529厂助力中国卫星3D打印产品在轨应用常态化 3.专访中科院太空制造技术团队：介绍太空立体光刻3D打印的意义 4.迄今为止集中力承载环境最“恶劣”的航天3D打印应用通过飞行考核

此前有研究发现，重复使用的Ti6Al4V在电子束粉末床熔融工艺条件下的零件疲劳性能相比未使用过的新粉制造的零件降低了69倍，其原因是颗粒表面氧化导致零件内部出现了融合缺陷。在另一项研究中，采用激光粉末床熔融工艺打印的多次循环的镍基合金粉末，塑性和韧性出现降低现象。 考虑到粉末特性可能会影响零件质量的假设，以及工业应用领域的需求，3D打印材料的疲劳性能（尤其是超高周疲劳性能）研究成为增材制造研究领域亟待解决的科学问题之一。本期，3D打印技术参考分享奥本大学关于零件摆放位置和粉末重复使用对3D打印零件疲劳性能的影响研究。 粉末特性变化与对铺粉效果的影响 研究使用的粉末为17-4PH不锈钢，初始粉末粒度分布在15-45μm之间，以80kg的初始量进行15次连续打印。每次制造完成，粉末进行筛分并与未使用的粉末充分混合。分别研究零件摆放位置和粉末重复使用对零件拉伸强度及疲劳寿命的影响，研究所采用的设备为EOS M290。 打印试样布局：不同批次的样本数量分别为38个和18个，每次消耗粉末2.5kg和1.5kg 综合多家单位通过对IN718、Ti6Al4V、AlSi10Mg等材料的研究发现，粉末循环重复使用，会导致粉末特性发生变化，主要表现为： 细粉含量减少、粒度分布变窄、平均粒径增大，对于AlSi10Mg来说尤其明显； 颗粒的形貌也会变得更细长（部分研究发现）； 与未使用的粉末相比，循环过的粉末由于卫星粉的消失以及长时间高温暴露降低了水分含量，粉末团聚现象减少，流动性总体呈上升趋势 本研究的粒度测试的结果基本验证了以上结论，初始粉末的粒度宽度为45μm，第15批为41μm，粉末粒度变窄；重复多次使用的粉末相比初始粉末具有更小的颗粒间间隙，粉末流动性和填充状态得到改善。 第1、5、10、15批次的粒度分布 研究人分析认为，初始粉末由于含有卫星粉和大量细粉，颗粒间的摩擦力容易形成团聚，导致空隙产生，而细粉并不足以填充大颗粒间的空隙；随着粉末循环使用，极细颗粒和大团聚体减少，粉末堆积密度增加，粉末流动性和填充状态得以改善。为进一步验证结论，研究人员分别对粉体进行了压缩试验和气体通过实验。 粉体压缩实验显示，批次1粉体的可压缩性为4.65%，而第15批次为1.97%，这意味着初始粉末的可压缩性更强；气体通过实验也证明，气体更难以通过第15批次的粉末，这证明了其更低的空隙率。需要注意的是，粉体中的空隙会在打印过程中导致熔体中形成气体夹带。 气体渗透性测试，粉体上方的压强越大，渗透性越差 总的来说，粉末重复使用可以使铺粉更均匀、颗粒间间隙减小，这种变化增加了理解粉末规格如何影响零件性能的复杂性。同时粉末特性的变化，可能会对基板上不同位置零件的机械性能带来一些改变。 粉末特性变化影响铺粉效果，进而带来机械性能的位置性差异 对零件孔隙的观察发现，第15批零件的孔隙平均孔径和最大孔径尺寸均低于第一批次，这进一步证明了再利用粉末具有更好的填充状态，更少的空隙减少了零件孔隙的产生。此外，同批次基板左侧零件的气孔大小和数量都比右侧试样大，但是随着粉体的不断重复使用，这种差异逐渐减小，表明再利用粉末在铺粉时实现了更好的位置均匀性，这可以印证前面的描述。 第1批和第15批零件的拉伸测试结果显示，抗拉强度分别为1209Mpa和1193Mpa、屈服强度分别为1155 MPa和1138 Mpa，并未发生显著变化；两批零件的真实断裂应变分别为0.35和0.40，零件的微观结构也没有明显差异。研究人员认为，粉末多次使用对零件拉伸强度的影响可忽略不计。 第1、5、10、15批次的零件拉伸曲线 第1、5、10、15批次的零件拉伸性能数据 对疲劳行为的研究发现，粉末重复使用对于未进行机加工、具有打印态表面的零件几乎未观察到直接影响，这主要得益于表面粗糙度的保留；而对于进行了机加工的试样，在低周和中周疲劳状态下，连续重复使用粉末不会影响疲劳行为；然而，在高周疲劳状态下，第15批试样的疲劳寿命明显高于第一批。对左右两侧的试样疲劳寿命的研究发现，右侧试样的疲劳寿命与左侧试样相比要高，但这种差距仍然会随着粉末使用次数的增加而减小。 疲劳性能测试数据 研究人员认为，在激光粉末床熔融工艺中，不同位置试样的疲劳寿命的差异是由于不同位置粉末的铺展效果不一致造成的。由于粉末的流动性会影响铺粉的均匀性，基板右侧的铺粉效果要优于左侧，从而带来了更小的缺陷尺寸和数量，这有助于提高零件的疲劳寿命；而随着重复使用次数的增多，粉末流动性变好，疲劳寿命对位置的依赖性变小。 END 总的来说，目前已经可以判定粉末重复使用并不会对零件的拉伸性能造成明显影响，但会影响疲劳性能；重复使用导致的粉末流动性的改变是造成疲劳行为位置依赖性的主要原因。该研究也为粉末特性变化如何影响机械性能提供了一个新的视角。 吴鑫华院士在一次演讲中提到，打印参数的优化并不是一个静止的过程，如果要循环使用粉末，那么打印参数还要继续优化。本研究的粉末循环批次只有15次，实际的生产会比此多。 注：研究原文可在QQ群查询。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.金属3D打印工艺链对TC4粉末性能的影响 2.粉末可回收性因素对金属增材制造的影响 3.粉末粒度分布和微量元素差异造成的金属3D打印质量问题 4.揭示惠普MJF技术熔融机制、墨水成分和新旧粉末特性变化

点阵结构一般是指由金属杆、板等微元件按一定的规则重复排列构成的空间桁架，具有体密度小、比表面积大、比力学性能高等特点。将其作为芯材的夹芯结构在爆炸冲击载荷作用下因结构动态失稳产生巨大的塑性变形并转化为热能，可吸收掉大部分的冲击能量，因而具有优良的缓冲吸能和抗爆炸冲击性能作用，其在坦克防护装甲和舰船结构水下抗爆方面均有应用。 电影中的点阵结构的防冲击场景 如今，点阵金属夹芯结构应用于轻质装甲以增加其抗爆性能的研究也开始增多。点阵金属夹芯结构抗爆炸冲击问题是一个非均质材料结构在动载作用下响应的复杂动力学问题，关于点阵金属材料的力学特性研究正处于基础研究阶段，主要集中在点阵金属夹芯梁、板等结构的抗爆炸冲击和弹道冲击方面。 材料的微观结构对其吸收冲击的能力发挥着巨大作用。近日，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）的研究人员发现了一种特别好用的结构，这种具有紧密空间的分形结构比固体立方体的冲击波消散能力强出五倍。这可能为头盔、盔甲和其他防护用品的改造升级带来了新动力。 3D打印的晶格结构的ct图像及三维重建 一些减轻冲击的材料利用孔隙率和分层结构来减小冲击强度，但传统的制造手段使这些材料往往缺乏结构控制，并且很大程度上需要通过反复试验开发。也有研究试图通过吸收能量的冲击驱动反应来减小冲击波的大小，但仍然需要具有尺寸稳定性和可定制机械性能的结构材料。 3D打印在材料结构控制方面的优势不必多说，来自LANL研究人员通过分形界面主导结构中孔隙的三维排列演示了冲击波的耗散。具有低至100µm自由表面间距的孔隙或自由表面的受控布置有望在适当的时间尺度上产生建设性的稀疏波前相互作用，从而减少通过结构的冲击波幅度。 不同的分层结构及防冲击测试结果 采用光固化工艺打印的点阵结构被以约每小时670英里的速度发射撞击器，结果发现结构化的立方体比相同材料的固体立方体对冲击的消散作用高出五倍。 然而目前尚不清楚分形结构是否是最好的减震设计。研究人员正在测试其他基于空隙或界面的模式，以寻找理想的结构来消散冲击。3D打印的点阵结构距离真正的装甲防护可能还有些距离，但其在体育用品上已经获得了应用，尤其是3D打印的减震头盔。 分割线 国外有研究人员分别测试了由惠普MJF工艺打印的PA11和激光烧结工艺打印的TPU材料的多种类型的点阵结构对撞击的缓冲作用。该项目获得了欧盟H2020框架计划的资助，其内容包括研究几种生成晶格结构的技术，并对这些结构进行测试，最终将其应用于在攀岩、骑行、滑冰等运动中的个人防护头盔。 研究团队设计和打印的几种点阵结构 动态冲击测试是采用5kg的圆形金属物体从1m的高度掉落到测试对象上，测试设备可以测量样品吸收的总冲击力。 不同结构的3D打印点阵防撞击测试 从测试的过程可以发现，不同结构的点阵对冲击的防护作用差别很大，研究人员需要从中选出最佳的结构。截至目前，HP、Carbon等公司均推出了基于3D打印工艺的点阵结构运动头盔。 最佳点阵结构 中国设计师开发的点阵结构运动头盔 不过，虽然点阵结构极具魅力和吸引力，但目前仍然有一些障碍使其很难用在实际生产中，尤其对于金属点阵结构。一个关键的挑战是要证明设计的性能可靠性，特别是在抗疲劳方面。由于点阵结构的表面和尖锐的交叉点很多，这带来了应力集中，在实际批量零件生产中如何解决这一问题存在一定的挑战。 另一个相关的问题是如何验证制造质量。点阵结构的复杂性使得难以通过传统方式检查，CT扫描确实提供了一种解决方案，但这种方法非常昂贵，开发简单有效的质量检测手段也是影响其应用的一大限制。 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.降维打印！强度提升37%-65%，3D打印点阵结构研究取得重要进展 2.北理工院士团队：3D打印几何缺陷对点阵结构力学行为的影响 3.3D打印点阵结构的特殊属性及应用场景 4.采用点阵结构替代支撑实现轻量化和高强设计

从CFM LEAP发动机燃油喷嘴重新设计，到2015年获得FAA认证，GE航空采纳增材制造技术已有十年之久。如今，GE9X 等其他发动机也正在大量使用增材技术制造的零部件。GE航空指出，采用增材制造进行批量生产，需要仔细规划、对潜在风险的认识以及对细节的极大关注。如果方法得当，增材制造可以带来巨大的益处，如缩短生产周期、节约成本、整合零部件数量、减少浪费，提高可持续性和加强供应链等等。 本期，GE航空将分享他们在增材制造通往批量生产的道路上的历程和经验教训。 01边做边学GE Aviation大约在十年前开始采用增材制造技术，然而它的使用历程并非一帆风顺，更可以用摸着石头过河来形容。经过十年发展，GE已经采用增材制造取得了产品的跨越式发展，在行业应用中更是起着引导示范作用。 1. Leap燃油喷嘴 对增材制造技术的使用，源于当时对CFM LEAP大涵道比涡轮风扇发动机燃油喷嘴的重新设计。传统上，飞机发动机燃油喷嘴是用一系列复杂零件通过钎焊制成最终形状，这往往造成工艺产量低、耐久性差，并且工程师很难进行优化设计以满足要求。 以前，这种复杂的金属部件由20个组件构成。如今，通过3D打印，燃油嘴已经变成一个单一零件。2015年，GE Aviation生产了第一个经美国联邦航空管理局认证的增材制造燃油喷嘴。自此以后，新燃油喷嘴的生产数量已经超过60000个，将零件的库存减少了95%，并将组件的成本降低了30%。 以增材制造为理念，从零开始重新设计喷嘴，零件的生命周期由于下列原因获得显著改变： 燃油喷嘴减重25%，从而降低了飞机寿命期间的燃油消耗； 燃油喷嘴寿命延长了5倍； 由于制造过程中材料利用率提高，原材料消耗大幅降低。 在零件开发过程中，GE Additive和GE Aviation的设计师、制造工程师和质量团队在同一地点办公，这增加了整个团队的协作，促进了决策制定，使得他们能够快速解决任何技术问题。 leap燃油喷嘴 2. GEnx-2B电动开门系统 (PDOS)支架 2018年11月，GE Aviation获得了美国联邦航空局的批准，用一种增材制造的支架来取代GEnx-2B发动机上的一个传统支架。新的支架用于电动开门系统(PDOS)，使得GEnx的风扇罩能够轻松打开和关闭，以便快速维检。 通过使用现有的粉末和材料规范以及数据集，GE Additive和GE Aviation的工程师们密切合作，加快了这个本来可能需要航空工业数年时间的开发进程。借助GE的所有最佳实践，该零件在不到10个月的时间内就从设计阶段进入了生产阶段。 GEnx-2B电动开门系统 (PDOS)支架 确保每种材料的性能数据都能够代表不同制造工艺和不同形状的打印零件的性能，这一点至关重要。GE Aviation并没有根本上改变PDOS支架的设计，或针对增材制造来对进行设计优化。他们选择使用已经获得美国联邦航空局批准的钴铬合金，以及一个已经通过燃油嘴认证的数据集，来打印这一零件。采用GE Additive的Concept Laser M2打印机每次可打印四个支架（每架飞机所需），实现了降低零件成本的计划目标之一。 采用增材制造技术来生产PDOS支架的成果非常出色。新支架的重量减少了10%，降低了90%的材料浪费，零件通过内部制造显著降低了供应链成本。 3. GE9X钛铝低压涡轮叶片 在其位于意大利卡梅里的工厂，GE Aviation的子公司Avio Aero正在为波音下一代777X喷气式飞机制造用于GE9X发动机的涡轮叶片。这些叶片在发动机内以每分钟2500次的速度旋转，并承受高温和巨大的作用力。 Avio Aero的现代化工厂拥有超过35台Arcam EBM A2X和Spectra H设备。每台A2X打印机可以在大约三天内用3千瓦的大功率电子束同时打印六个涡轮叶片。新的Arcam Spectra H打印机通过电子束逐层加热并熔化钛铝 (TiAl)粉末，可以在大约相同的时间内生产多达10个叶片，每个叶片的高度约40厘米。 2020-2023生产高峰预测：每年将生产6万个叶片 增材制造的TiAl合金叶片的重量是航空用传统镍基合金涡轮叶片的一半。对于GE9X发动机，这意味着与它的前身GE90相比，油耗降低了10%（同时也减少排放）。 部门协作再次成为Avio Aero成功转向连续生产的关键。一个由GE Additive技术人员组成的专门团队驻扎在卡梅里工厂，直接与Avio Aero团队合作，为EBM机器提供支持和维修。在Arcam位于瑞典哥德堡的总部，一个由10人组成的特殊团队专门为Avio Aero提供支持，并与意大利的现场同事密切合作。 02拥抱变革这三个关于连续增材生产的真实案例研究也让整个GE的各个团队经历了重要的学习过程，这些团队在这一过程中汲取了变革管理方面的宝贵经验。 制定一个计划和商业案例，详细说明为什么增材制造在具体情况下是有意义的，应该是形成增材技术战略的第一步。 GE Additive验证过的应用 许多金属增材技术的使用者最初都表现出高昂的热情，并且兴奋地投入其中。然而，一系列的生产问题，如打印停止、打印失败、不同设备间的偏差以及打印批次的偏差，会引起慌乱并导致团队热情下降。在这些问题得到解决和克服之前，可能会出现一个称为“幻灭低谷”的阶段。 重要的是要把连续增材生产之路视为一场马拉松，而非短跑冲刺。一旦这些障碍得到解决，连续生产开始成为现实，领导层就会意识到并接纳增材制造技术对其企业的影响。 03应对生产挑战采用增材制造进行连续生产，通常会遇到三个主要的生产问题： 1. 打印的可重复性 这可能包括不同现场或不同机器之间的偏差，或者不同粉末批次的变化；当在单台机器上使用单一粉末批次，在一个打印过程中制造单个零件时，这些偏差通常不会出现。 在查找导致变化的关键因素的过程中，识别“关键因素”是至关重要的。其中包括与机器相关的因素，如参数中的“工艺设定”（功率、速度、间距）、腔室环境（即气流和氧气）或机械校准；其他关键因素可能与粉末组分、粉末处理和后处理工艺有关；对于功率和气流等问题，控制在一定范围也很重要，在整个加工基板的范围内，可以接受怎样的偏差等等。 当机器未被“锁定”在某个生产配置，或者操作和维护机器的指导不完整时，也会出现问题。另外，也要考虑指定预防性的维护计划。例如，需要多久验证一次机器标定？需要多久重新标定一次氧浓度传感器，或者检查机器内的气体流速？需要多久更换一次过滤器？记录、维护和控制所有这些因素很重要。 2. 零件质量 为了实现一贯的零件质量，重要的是建立一个可靠的质量计划，而这涉及多个部门，其中包括工艺设计、制造和品控。品控架构需要清楚了解设计意图是什么，以及制造团队如何制造这个零件来满足这个意图。 首先，制定一个总体控制计划，并建立检查策略。3D打印使非常复杂的几何形状制造成为可能，但这可能给那些负责检查这些零件的人带来新的问题。为此，要确保达到设计意图，怎样的检测技术是最好的——白光、CMM、X光、FPI，还是CT？ 零件质量始于粉末——如何考察供应商供货规格，以及如何处理粉末。重要的是创建并坚持适当的金属粉末处理和储存流程，同时进行连续过程验证，以确保拥有一套稳定工艺。 从事传统制造业的人可能不熟悉其中所涉及的方方面面。粉末可以重复使用和回收，但需要仔细存档，并且必须遵守适当的环境、健康和安全程序。 增材制造零件质量控制和评价需要确定标准 3.…

Optomec是美国知名的增材制造系统供应商，凭借Aerosol Jet技术，已成为电子3D打印领域的主要参与者之一。该公司还凭借基于DED的LENS 3D打印系统在金属增材制造领域占有重要地位，该技术可生产致密的金属零件并能用于金属零件维修。 在最近的一次客户调查中该公司表示，使用其金属增材制造技术进行翻新和维修的涡轮叶片数量已经超过1000万个。所有领先的燃气轮机原始设备制造商都为航空航天部门的飞机发动机和能源部门的发电装备安装了Optomec 3D打印系统，其客户数量达100多个，其中不乏GE、西门子、霍尼韦尔、三星、洛克希德等公司。 燃气轮机大型叶片 Optomec的激光熔覆技术被业内广泛采用，已获得15个国家/地区的航空维护运营批准。其基于定向能量沉积（DED）的增材制造工艺，可用于压缩机和涡轮叶片、整体叶盘、叶片和各种发动机部件的直接生产和维修。在这些领域，增材制造技术使设计效率得以提高，但也提高了成本，可用来修理那些从零开始制造但成本很高的零件。 客户经常使用Optomec的系统来修理涡轮叶片的尖端，密封件和磨损表面、压缩机叶片、保护罩和其他高价值组件。该公司基于DED的系统具有许多优势，包括适当的视觉和自适应控制软件，卓越的受控惰性气氛，总包维修过程配方以及可释放高生产率的自动化解决方案。 Optomec激光沉积制造过程 今年五月，Optomec宣布，其公司LENS定向能量沉积系统在增材制造和铝合金修复方面取得突破。该公司表示，这项创新技术可用于沉积任何种类的铝合金材料，包括其专门为提高增材制造加工性能而开发的铝合金。 此外，该公司表示，其机械的投资回报率超过180％。去年11月，该公司已经安装了500台工业3D打印机，超过200台是LENS工艺，其中GE公司就拥有20多台。 航空航天供应商正在寻求SLM工艺以外的高精度3D打印技术 一直以来，激光粉末床熔融技术在航空航天领域获得了相比其他增材制造技术更多的应用，但随着需求的增加，一些航空航天供应商还在寻求大型零件的增材制造技术。 近日，华中科技大学铸锻铣一体化金属3D打印技术被列入“中国限制出口技术目录”。相比于锻件传统制造方法流程长、工序复杂，需要多台大型设备、制造成本高，污染排放量大的特点，微铸锻铣复合增材制造流程短，只需通过一台设备就可以完成金属丝材到锻件的制造，同时可满足大型复杂高端零件的制造。目前，该技术已经应用于飞机挂架、舰船螺旋桨、汽车翼子板模具、燃机过渡段、高铁辙叉等项目的研发制造，重点服务于航空航天、核电工业、船舶海工、高速铁路等支柱产业。 锻铣一体化金属3D打印技术原理 微铸锻铣复合制造技术由于突破了增材技术无法制造锻件的瓶颈，一经问世便获得了GE、空客、商飞、西飞、成飞等大型企业的高度关注，并展开了相关合作。 无独有偶，国外增材制造技术供应商Prodways也推出了基于电弧的快速增材锻造（RAF）系统，在大型零件直接制造方面具有优势。Prodways RAF快速增材锻造技术成功的原因之一是其闭环监控系统，制造过程需要很少的人工监督，而且可以自动调整生产参数，从而确保最佳的质量和可重复性。对采用RAF工艺打印的不同零件进行的冶金测试表明，与典型的金属3D打印工艺相比，RAF工艺具有极好的均质性和无气孔性。 在RAF系统上制造的3D打印钛合金结构与机加效果 Prodways指出，使用该系统可以在几个小时内制造出大型3D打印零件。航空业公司也指出，这项技术可以用于制造飞机上将近50％的钛合金零件，并节省多达50％的零件成本。2019年，欧洲导弹开发商和制造商MBDA已经选择Prodways快速增材锻造（RAF）系统来3D打印大型钛航空零件，MBDA希望将此类组件的成本和交货时间降低25％。 挪威公司Norsk Titanium AS则采用等离子沉积技术实现大尺寸零件的增材制造，并致力于满足航空航天领域的严格要求。2015年，他们获得了欧洲TRL8认证，这是一种评估关键技术元素成熟度的方法，得到了美国国防部、美国宇航局、欧洲宇航局和许多其他航天机构的承认。（对于TRL的评估主要检查项目的概念、技术要求、经过验证的技术能力，并根据分值将其评为1到9个等级，其中9级代表技术最成熟。TRL8预示着产品不存在问题，可以投入验证。） Norsk等离子体沉积过程 Norsk开发的直接金属沉积技术，采用金属粉末或金属丝通过等离子体沉积成形，尺寸和材料完整性由控制系统管理。与所有增材制造技术一样，该过程从要打印的零件设计图开始，通过控制系统被编程产生该部件的沉积坐标，然而它可以每小时几公斤的工业速度生产零件，并用于大型结构的直接制造。 目前，Norsk已经为波音787设计了4个零部件，并获得787零件认证，而且已经用于这些部件的批量生产。采用Norsk的工艺，可以为每架波音787节省200到300万美元的成本。 END 对于SLM技术来说，虽然产品质量和尺寸控制极佳，但制造尺寸有限而且速度非常缓慢，远不能满足航空航天等领域对于大型零件的制造需求。无论是Optomec激光能量沉积、Norsk等离子沉积，还是Prodways快速增材锻造以及我国铸锻铣一体化金属3D打印技术，都为大尺寸复杂金属零件的直接制造提供了可能，也为更广泛的金属3D打印应用开辟了道路。 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.两吨材料，数年时间，百万美元，3D打印如何为787客机完成认证工作 2.民航领域可用3D打印材料、工艺和案例，及民航专家的适航认证启示 3.您的下一航班将使用3D打印的引擎部件 4.航天二院科技大讲堂—卢秉恒院士“航天增材制造”

作为金属3D打印的重要材料之一，铝合金由于密度轻、弹性好、比刚度和比强度高等一系列优良特性，一直被认为是“朝阳材料”。它在军工、航空航天、汽车制造等领域已被广泛应用且具有很好的发展前景，与3D打印的结合更是使其迸发出新的活力。然而相比钛合金、铁基、镍基合金，铝合金的3D打印研究和应用在近十年来才获得较快的发展，其主要原因还在于材料本身的局限性。传统为锻造工艺设计的6系和7系高强铝合金均无法用于3D打印，主流3D打印用铝合金的拉伸强度一般也不会超过500MPa，屈服强度不超过300Mpa，难以达到锻造高强铝合金的水平。 目前，性能最好的高强铝合金之一Scalmalloy®，其拉伸强度（UTS 520 MPa）、屈服强度（480 MPa）和延展性（延伸率13%）均表现出色，且具有耐腐蚀、微观结构稳定的特点，是空客公司专为增材制造而开发的材料，具有严格的专利保护，且不对国内出售。 突破空客专利限制的新型高强铝合金瞄准该技术空白及其巨大的应用前景，中车工业研究院通过大量成分设计和实验验证，设计研发了一种新型3D打印专用高强铝合金粉末材料，并开发了相关3D打印工艺和热处理技术。该高强铝合金粉末材料经批量生产以及多轮SLM技术验证，拉伸强度稳定超过560MPa，屈服强度超过500MPa，延伸率超10%，显著优于空客公司Scalmalloy®铝合金粉末的打印性能以及其他7系锻造高强铝合金。同时，由于不同于空客公司Scalmalloy®的强化机制，该打印材料在215℃高温条件下的强度超过260MPa，延伸率超过10%，几乎比空客Scalmalloy®的高温性能整整提高了一倍。 图1. 打印件常温力学性能 图2. 打印件215℃下的高温性能 此外，该材料还具备优良的耐腐蚀性能，可满足国内轨道交通装备和航空航天等高端制造零部件3D打印的需求，具有广泛的应用前景和市场价值。 图3. Scalmalloy®打印件的常温和高温力学性能（空客APWORKS官方网站） 最关键的是，新开发的高强铝合金及相关打印技术均突破了空客公司Scalmalloy®高强铝合金的专利限制，具有自主知识产权。粉末中Mg、Si等主要元素比例范围均在空客专利范围之外，并添加了适量的其他微量元素。同时，基于成本因素考虑，Sc、Zr含量也进行了优化。目前，该材料及其打印工艺已申请专利4项，已获授权2项。 针对3D打印过程中存在的热应力变形以及高强度的使用要求，研究人员对材料进行了冷热裂纹抑制设计和多重强化机制设计。其中强化机制包括了固溶强化、晶界强化、纳米相强化以及高密度堆垛层错强化，材料在打印过程中不会出现微裂纹，打印件具有非常细密的等轴晶组织。同时，由于良好的强塑性匹配，打印大尺寸零件也不会发生应力开裂，能够很好的应用于较大型铝合金零部件的SLM成型。 图4. 该高强铝合金粉末打印件的微观组织结构 图5. 该高强铝合金粉末打印的粗大实体 在粉末状态方面，通过与外部粉末加工单位合作，该材料批量生产后球形度达到0.88，空心粉率控制在3%以内，氧含量控制在300ppm以下；同时铝合金的流动性难题也有突破，粉体的霍尔流速提升至100s以内，非常适合于激光粉末床打印，具有优秀的工艺适应性。 图6. 高强铝合金粉末形貌和截面图 图7. 高强铝合金粉末流动性测试 新型高强铝合金粉末材料及相关打印工艺技术由中车工业研究院主导研发，目前已稳定生产并已应用于中车轨道交通轻量化零部件的试制，取得了极佳的减重和性能强化效果。包括拓扑优化结构的抗蛇形减震器座、抗侧滚扭杆座、轴箱体以及加强散热设计的散热器板等，均取得了极佳的减重和性能强化效果。其中抗蛇形减震器座相比传统加工件减重72%。 图8. 采用新型高强铝合金粉末材料打印的轻量化轨道交通装备零部件样件 材料——增材制造产业链的关键一环材料在使3D打印成为真正的生产技术中起着关键作用。根据捷普的一项调查，41%的受访用户认为，引入更好的材料将对鼓励大规模采用3D打印进行生产产生最大影响。而对铝合金而言，长时间以来业内成熟商业化的材料多为力学强度不高的Al-Si系合金，极大限制了来自航空航天以及汽车领域用户对高强度的使用要求。实际上，铝合金有着极大的使用潜力。根据SmarTech的介绍，铝合金占金属3D打印中所有金属粉末的消耗量（按体积计算）将从2014年的5.1%逐渐提高到2026年的11.7%左右。铝合金正在追赶上钛、镍和钢等材料，成为支持增材制造下一代发展的重要机遇。 图9. 中车工业研究院3D打印用高强铝合金粉末产品 在此背景下，增材制造产业链的上游企业正在积极响应这种需求，一系列高强铝合金频繁上市。包括中车工业研究院等单位设计研发的新型高强铝合金正在成为打破国际垄断、迅速国产化的关键，相关产品将极大影响我国3D打印技术在关键领域的应用深度和广度。 目前，由中车工业研究院设计开发的新型高强铝合金已批量生产，并获得包括中国航发在内的部分航空航天企业的试用，相关应用也正在推广。如对该材料或打印样件有需求，可联系中车研究院祝弘滨博士，电话13811868917（微信同号）。 关于中车工业研究院 中车工业研究院有限公司，简称中车研究院，是中国中车集团面向科技创新的直属特设机构。是中国中车前瞻性、基础性、共性技术及行业核心技术的研发牵头单位，以及技术成果的转移与转化组织单位；是“探索一代、预研一代”关键技术研究的主责单位，为中国中车实现“双打造一培育”提供强力支撑。 中车研究院是中车金属增材制造技术的主导研发单位和研究规划的制定单位，增材制造技术团队由4名博士和多名硕士组成，目前面向中车技术需求已开展多项技术研究。 往期上传：Scalmalloy®国际专利；国内新型铝合金相关研究内容。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.国内3D打印高强铝合金研究新进展及Scalmalloy®应用取得重要突破 2.制约铝合金3D打印应用的六大因素及国内外高强铝合金的商用进展 3.铝合金激光能量沉积技术为何难以实现应用，目前的突破有哪些 4.最新研究：硅可以防止3D打印7075铝合金的微裂纹

本文以DfAM的设计思维分析SpaceX 龙飞船3D打印推力室的结构特点，以设计师的思考方式，系统梳理整个设计过程，并通过实际仿真切片和打印，验证其合理性，为想学习DfAM设计思维的同仁提供参考。 DfAM（Design for additive manufacturing)是一种设计方法，常见的定义是：基于增材制造技术的特点，通过形状、尺寸、层级结构和材料组成的系统综合设计最大限度提高产品性能的方法。 3D打印制造的龙飞船发动机 2020年8月，SpaceX龙飞船成功携带宇航员返回地球，商业载人航天时代正式开启。我们已经知道，帮助龙飞船实现逃逸功能的动力系统——飞船侧壁的8台超级天龙座发动机系统（Super Draco逃逸发动机），其推力室采用镍基超合金通过激光粉末床熔融技术制造而成，借助该技术的复杂制造和集成制造优势，将之前几十个不同零部件缩减为三个，保证了高压液态氧和高震动情况下的正常运行。与传统铸造件相比，3D 打印推力室具有优异的强度、延展性和抗断裂性，并极大缩短了整个发动机的设计和制造周期。 功能要求对结构设计的影响条件A：推力室本身属于压力容器，需要内部管道能够承受符合工况要求的管道压力分布。对于设计而言，就是需要保证足够的设计壁厚以承受工况压力，结合使用的材料参数，我们可以得出管道的最小壁厚尺寸要求。 条件B：该推力室运用于火箭当中，工作状态中外部环境复杂，核心包括振动影响和高温影响两个方面。对于设计而言，需要选用高温合金材料作为制造的材料，同时结构上，在满足管道压力分布条件下，还需要满足振动抗震性要求，设计上保证高刚度，在极限工况下也能保证推力室的正常工作，结合使用材料参数，我们可以得到符合火箭的极限工况的管道的最小壁厚尺寸要求。 条件C：推力室属于整个火箭动力系统的一部分，与其他部分连接的多个固定结构设计要达到整体对于该零件的强度要求，结合使用材料参数，我们可以得到相关的形位尺寸要求以及安装尺寸要求等。 在理解了功能要求对结构设计的影响以后，我们就可以得到整个零件的基本结构尺寸。包含：关键推力室尺寸、管道位置与长度、 壁厚尺寸，与其他部分的固定安装尺寸、总体大小等。 可以看出，这些设计信息只与设计的材料参数和功能实现要求的力学结构计算有关，与制造无关。在理想条件下，只要按照这些指标做三维设计，就可以保证结构的功能性实现。 增材制造工艺做结构的补充设计或调整该零件使用的制造方式是粉末床选区激光融化（LPBF）3D打印技术。虽然有粉末的支撑，但也需要考虑，分层与支撑生成两个关键工艺点。 工艺A：增材制造是一层一层制造，要保证压力管道受力的一致性，那么在主要受压结构上，需要考虑层的分布问题。对于设计而言就是——成型的方向。火箭的整个动力系统基本处于垂直放置的状态，垂直上受压，所以该零件制造时，放置方向也应该是垂直放置，而不是横向放置。 工艺B：自支撑结构+减重设计的融合 根据零件的放置方向和初步的设计计算得出的形状，能够得知在哪些地方会生成支撑，进而设计固定性结构。 对于管道，有两个方法可来避免支撑的产生：一是对于将本身水平放置的管道在不影响总体功能的前提下，调整到45度倾斜的方式，实现自支撑打印。二是改变管道本身截面形态，将圆形管道改成自支撑性截面，即使水平放置，也不会有支撑产生。 管道结构自支撑设计 对于固定结构，连接的法兰盘部分一般壁厚较厚，质量大，以传统设计方式，台阶面还会产生支撑结构，此时需要针对性的做改进，方法如下，但不限于这几种： 1. 大量的倒角圆角运用能够减少支撑的生成，同时保证强度，减少支撑。 2. 变壁厚均匀强度截面设计以满足强度的同时达到减重的设计。这一部分可以单独建模。利用拓扑优化软件，根据受力计算仿真获得优异的等强度截面，并运用到本体的设计中，不用整体所有结构都做拓扑优化。 固定结构自支撑设计 以上两步完成以后，对整体的设计细节要求做一遍检查，没有问题的情况下就可以进行制造了。由于这里是属于压力容器相关的设计，对于微晶网格结构的设计运用，以后在其他设计中再做讨论。 推力室中的自支撑结构设计综合以上的方法，我们来看看在SpaceX 3D打印推力室的设计哪些地方运用了自支撑设计的理念方法： 发动机推力室外部自支撑结构设计运用 在这个设计中，第3个是一个很有亮点的设计方式——3级等壁厚三角支撑肋板设计。该设计在倒角的基础上，通过3级等壁厚等腰三角肋板叠加的方式，在倒角的基础上，进一步减轻了重量，同时避免了支撑的产生。一个结构周期包含3个菱形和4个等腰三角形，是一个非常创新性的结构设计，可以减少大面积支撑下的自支撑结构重量，保证强度。某种意义上，这也算是一种网格设计方法。 3级等壁厚等腰三角支撑肋板设计 推力室中的自支撑结构设计验证以下是基于以上的全部分析，对根据已知的一些条件做了近似设计来验证该结构的设计可靠性。 发动机推力室近似验证设计 将模型转化，放入切片处理软件，可以看到切片的结果，只在末端固定处有少量支撑，考虑到实际设计时，内部复杂管道等，可能还是需要添加支撑，此时可以对产生支撑的局部做微小的设计调整，就可以避免支撑的产生。 加支撑与不加支撑对比 增加加强筋并无支撑打印实物打印验证 最后在增加了肋筋设计元素以后，以实物打印对比结果来看，已经实现了设计的功能要求，设计工作结束。 注：本文内容由林传春原创，3D打印技术参考稍作修改。联系方式：1209320732@qq.com欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.SpaceX正在招聘增材制造工程师，职责和要求有哪些？ 2.SpaceX龙飞船成功携带宇航员返回地球（附视频） 3.航天二院科技大讲堂—卢秉恒院士“航天增材制造” 4.LITHOZ 3D打印航空发动机陶瓷叶片型芯

SpaceX龙飞船逃生系统的发动机采用3D打印制造，凭这一点就可以看出其对该技术的应用有多激进。前日，SpaceX发布了一项关于增材制造工程师的招聘需求，表明该公司正在扩大增材制造业务，来帮助生产出更有效、更低成本的部件。接下来我们来看看SpaceX招聘增材制造工程师有哪些职责和要求。 职位信息 能够为运载火箭金属增材制造应用开发贡献力量，通过开发和改进构建过程参数，升级和改进3D打印系统以最大限度的提高性能，能够充分利用增材制造技术的优势进行运载火箭零部件设计，最大限度提高客户满意度，缩短交付时间并降低整个制造过程的成本。主要责任包括： 1.实施新的制造技术并快速开发迭代，提高生产效率，实现先进的应用设计，降低成本并提高质量。 2.优化增材制造设备和软件，减少操作负担提高打印能力，实现高标准的一致性和可靠性。根据需要对设备进行结构优化并推动项目进行，必要时和原始设备制造商合作。 3.开发工艺参数，提高零件的整体机械性能、表面质量和几何精度。致力于提高现有材料的生产效率，开发新材料的工艺参数。与材料工程部合作，通过金相评估和机械测试确定新参数。 4.与设计师和相关工程师合作，利用SpaceX增材制造的优势，在适用的情况下推动零件减重和零件整合。发现并证实新的设计概念和特定几何结构的制造参数，以改善部件和系统性能，克服制造极限。 5.为各增材制造设备制定优化的粉末床熔融技术的构建文件，制定激光扫描路径，实现最佳的零件质量和一致性。 6.与操作人员合作，高效率实现生产，负责零件鉴定，和负责工程师和操作人员共同跟进，不断改进。 7.进行生产权衡研究和产能分析，努力以最佳方式表征总制造成本和约束条件，使用数据驱动技术最大化的利用增材制造技术。 8.在整个增材制造团队内部有效记录和分享与开发活动有关的信息，推动改进并促进培训。 9.与开发团队合作，在打印过程中实施监控，并与材料和工艺部门进行协调，对新工艺进行认证，以期在可行的情况下消除后续检测（如校准、尺寸、外观和无损检测等） 基本资格 机械工程或其他工程学科的学士学位 3年以上金属增材制造专业经验 有激光粉末床熔融设备的操作经验 优先考虑 1.机械工程或其他工程学科的硕士学位2. 有“增材制造设计”经验3. 具有开发和表征激光参数和扫描路径的经验4. 有在多个增材制造平台上创建构建文件的经验5. 能够使用工程基础进行权衡研究6. 有实施激光粉末床熔融技术监控工具的经验7. 了解高斯激光光学和高速激光扫描系统相关知识8. 有建立和运行多因素实验设计（DOE）的经验9. 精通可压缩和不可压缩流动、热力学、热化学、力学、材料和电路的基本原理10. 优秀的沟通技巧和简洁的表达能力11. 对推动商业航天业和载人航天事业的热情12. 能够在协作团队环境中良好工作13. 自我激励能力强，能够在高压环境中确定优先级并执行任务其他要求：愿意加班。这项招聘需求表明SpaceX与增材制造技术相关的工作流程已经非常成熟，它涉及的内容非常广泛，从零件设计、工艺开发、性能检测，到多部门协作、设备改造、提高零件可靠性和一致性，再到综合成本控制和不遗余力的提高生产效率。所有这些都针对实际最终用途零件生产，SpaceX正在积极开发增材制造技术的潜力，而能够进入该公司工作，想必会是众多增材制造工程师的梦想。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.SpaceX龙飞船成功携带宇航员返回地球（附视频），商业载人航天时代正式开启 2.美航天增材制造企业Relativity Space推动金属粉末回收利用 3.南航：系统论述航空航天增材制造3类典型材料及应用挑战 4.美国航空业成就GE增材，中国航天崛起能否再造铂力特？

北京时间8月3日凌晨2：48分左右，NASA宇航员Robert Behnken和Doug Hurley乘坐SpaceX龙飞船成功返回地球。这是NASA宇航员首次乘坐商业建造的航天器往返太空，也标志着世界商业载人航天新时代的开始。 2020年5月31日03时22分，美国太空探索科技公司SpaceX用自家猎鹰9号火箭搭载“龙飞船”2号成功将两名宇航员送入太空，一级火箭成功回收。SpaceX自此成为世界载人航天的第四位玩家，创造新历史。 一直以来，NASA的高级官员都将此次飞行视为一次试飞，宇航员的工作是对载人龙飞船进行各项验证，经过评估之后，龙飞船将正式执行NASA与SpaceX签订的“商业载人项目”（Commercial Crew Program ），预计首次正式载人飞行将在今年9月份进行，届时将有四名宇航员飞赴国际空间站。因此，龙飞船的成功返回对于SpaceX和整个商业航天业来说也是一项巨大成就。 载人“龙飞船”由美国宇航局委托SpaceX公司打造，高8.1米，宽4米，共4个舷窗，可以搭载7名宇航员（这与航天飞机搭载的宇航员数量相同，也与我国今年5月5日测试的“新一代载人飞船”设计上能够搭载的宇航员数量相同），具有可重复使用、乘员运输能力强、内部空间大等特点。龙飞船自备动力逃逸，飞船侧壁安装有8台超级天龙座发动机系统（Super Draco逃逸发动机），两个为一组，互为备份，一旦发现火箭出现故障，“龙飞船”能瞬间被弹向安全区域后返回地面。 龙飞船进入地球大气层，峰值温度可接近2000度 值得注意的是，Super Draco发动机的关键部件采用3D打印制造，借助该技术的复杂制造和集成制造优势，将之前几十个不同零部件缩减为三个，由镍基超合金通过激光3D打印制造而成，大大缩短了整个发动机的设计和制造周期。此外，3D打印技术被众多私人航天公司所关注，其中包括中国的深蓝航天。（点击蓝色字体） 3D打印制造的龙飞船发动机 在宇航服方面，此次载人“龙飞船”的宇航服重18斤左右，比普通宇航服减负1/3。外观为简约又大气的黑白拼接样式，极具科幻感。黑色部分运用了聚酰胺纤维制成——弹性、柔韧性一流，这可以使宇航员不像以前那样被服装限制行动；白色部分运用了强化玻璃纤维制成，其特点为耐火耐高温，且抗酸碱性极强。 简洁的宇航服设计，科技含量无限 而宇航员的头盔使用3D打印技术定制制造，遮光罩、通风降温系统、耳机麦克风等都被隐藏其中，在保证安全可靠的前提下，不仅减轻了重量，也将成本压缩到极限。尽管尚未正式披露其具体的制造工艺，但已有外媒猜测它使用了FDM技术和PEKK材料进行打印。PEKK是一种半结晶热塑性塑料，目前已经越来越多地用于增材制造市场，该材料不易燃、有很好的耐磨性，这些都是太空头盔的重要属性。但是应该指出的是，PEKK目前也可以采用SLS技术打印。 飞船的成功返回是SpaceX花费数年研发龙飞船项目的最后一次测试，为此NASA已经投入31亿美元。而NASA也将彻底摆脱对俄罗斯载人“联盟”飞船的依赖，SpaceX公司载人飞船的每个座位发射成本约为5500万美元，比俄罗斯9000多万美元的报价大为降低。 本期上传：SpaceX太空头盔与龙飞船模型文件。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.SpaceX首次载人火箭发射成功，3D打印发挥作用，开始纳入Velo3D无支撑金属打印 2.美国航空业成就GE增材，中国航天崛起能否再造铂力特？ 3.南航：系统论述航空航天增材制造3类典型材料及应用挑战 4.2019年中国航天领域3D打印8大应用成就和案例

7月23日12时41分，长征五号遥四火箭在海南文昌发射场点火起飞，将我国首次火星探测任务“天问一号”探测器送入地火转移轨道，迈出了我国行星探测的第一步。此次发射包含3D打印产品100余件。随着各航天强国逐步开始布局月球、火星等深空探测任务，各类需求展现出牵引太空制造技术发展方向的作用，对太空制造技术的关注和期待逐渐增多。包括3D打印在内的太空制造技术被世界各航天强国公认为是人类提升地外活动能力、开展深空探索任务的战略性关键技术之一，因而其也已成为世界主要航天强国最活跃的科学与应用前沿之一。 德国宇航中心（DLR）自2017年就已开始测试零重力条件下的金属粉末床熔融增材制造系统，按照计划，该系统在经过一系列的试验和测试后，会被设计为火箭的有效载荷，并将在本年度首次由MAPHEUS火箭发射升空。 DLR研究项目的主题是粉末床激光烧结/熔融（SLS/SLM）工艺，该工艺仍然是使用聚焦激光束通过层层熔化粉末实现零件成型。与地面相比，零重力条件下的工艺探索要复杂的多。 DLR第33次抛物线飞行测试，被安装在空客A310上的实验装置（1：激光系统和沉积单元；2：气体循环泵和控制系统）对金属粉末的有效处理，是在降低重力甚至完全失重的情况下面临的最大挑战。有针对性地实现厚度均匀的致密粉末层非常重要，它是影响最终部件质量和材料性能的关键因素。此外，粉末层还必须在打印床上保持稳定，直到完成打印。为了实现这一目标，研究人员开发了一种空气气体流动吸入系统，在没有重力的情况下，粉末被有效地“吸”附在打印床上。这种在整个压力范围内稳定粉末的方法已经在之前的抛物线形飞行中进行了多种测试，并且显示出很高的可靠性。 金属粉末床熔融工艺与空气气体流动吸入系统原理 这个用于稳定粉末的气流装置相对于整个增材制造系统来说具备独立的电源供应，重量很轻，且完全自动化运行。其强度和稳定性能够承受火箭发射期间产生的载荷。整个3D打印过程可以从地面通过遥测连接进行监控，火箭有效载荷和地面站将在抛物线飞行过程中并行工作。除了首次在失重状态下对硬件进行测试外，该实验还将针对不同材料和要求更高的材料(如固态金属玻璃)进行系统的参数优化。 微重力下打印的金属扳手 开展微重力条件下的3D打印研究，是当今包括欧洲航天局、NASA、俄罗斯和中国在内的众多航天机构的热门话题。 NASA未来从国际空间站迈向小行星及火星的太空制造技术规划 中国微重力3D打印实验历程 中国在今年5月发射的新一代载人飞船试验船上进行了多种类型的太空3D打印实验，包括碳纤维复合材料3D打印以及金属/陶瓷立体光刻微米级精度3D打印。为了实现这一目标，以中科院为代表的中国研究团队早在2015年就开始了微重力状态下的3D打印实验。 2016年3月，中科院团队利用抛物线飞机产生的微(低)重力环境成功开展了微重力高分子材料及其碳纤维复合材料增材制造技术验证，使我国成为继美国之后国际上第二个实现了这类材料的微重力快速成型相关技术试验验证的国家。 2018年6月，中科院团队利用抛物线飞机开展了低重力金属熔融铸造技术的研究，成功实现了模拟在微重力、月球重力(1/6g)以及火星重力(1/3g)条件下的金属零部件的制造。该技术试验共制造了8件金属样品，样品表面平整，证明制造过程与相应使用的材料对于不同重力条件适应性良好。 抛物线模拟微重力原理 不同重力条件下金属铸造实验用增材制造的陶瓷模具(a)和铸造的金属零部件(b) 同期，中科院团队还将精细陶瓷粉末与有机树脂混合，通过调控流变特性得到了可在微重力环境下有效约束精细粉末的软物质材料。随后利用抛物线飞机开展了微重力制造试验，在国际上首次开展了微重力环境下陶瓷材料的立体光刻成型技术实验。 陶瓷浆料的立体光刻技术试验装置(a)及样品(b) 以零重力条件下的立体光刻技术为例，国际同行普遍认为该工艺在微重力环境下不太可能被使用，因为其主要原材料是液体，而液体在微重力环境中非常容易自由飘散。因此，该实验的难点就在于需要攻克液体在失重环境下难以精确控制的问题。 2020年5月，该实验装置第一次在载人飞船试验船上进行轨精细成型实验任务，最终通过立体光刻3D打印，成功精细制造出微缩版的国旗、中科院院徽、中国载人航天工程标识、三维支架等8件样品，成功实现在失重环境中陶瓷/金属软物质材料的微米级精密在轨制造。 END 增材制造为从液体、粉末或细丝状材料制造组件提供了广泛的选择，包括金属、塑料和陶瓷以及复合材料在内的几乎所有材料都可以3D打印，越来越多的材料已被市场成熟使用。然而太空完全是不一样的情景，所使用的设备硬件和材料有根本不同的要求，而且会更加复杂，即便研究人员已经为失重环境下的制造过程进行了充分的试验准备，但也可能面临多种多样的风险。 虽如此，太空3D打印依旧具有巨大吸引力。随着信息、材料、自动化、快速成型等技术的高速发展, 特别是增材制造技术的进步, 使太空制造技术取得突破性进展。未来太空制造技术将趋向于更高精度、更大尺度以及更快速度，3D打印将发挥重要作用。 欢迎转发 联系微信：2396747576; 硕博交流和资料下载群：867355738；网址：  延伸阅读： 1.专访中科院太空制造技术团队：介绍太空立体光刻3D打印的意义 2.梳理：新一代载人飞船试验船上的3D打印应用及技术来源 3.南航：系统论述航空航天增材制造3类典型材料及应用挑战 4.关键结构件3D打印技术在新一代载人飞船中的应用