北京时间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。这是美国自2011年航天飞机计划结束以来，时隔9年再次成功发射载人飞船，SpaceX自此成为世界载人航天的第四位玩家，创造新历史。 本次发射的重要意义有两点： 自2011年美国航天飞机执行完最后一次任务退役后，美国失去了从本土出发的载人航天能力，只能依靠俄罗斯联盟号飞船前往国际空间站。SpaceX此次发射是非俄罗斯飞行器近十年首次进行载人飞行，不仅标志着美国载人航天能力的恢复，也标志着人类载人航天一个崭新时代的开始，SpaceX已独立并全面掌握了载人航天最重要的运载火箭、货运飞船和载人飞船等环节。 本次发射是NASA与SpaceX签订的“商业载人项目”的组成部分。这意味着此次的发射成功正式揭开了商业载人航天的大幕！ 猎鹰9号火箭和载人“龙飞船”上的3D打印技术2013年，马斯克介绍了公司计划如何使用Leap Motion控制器，Oculus Rift虚拟现实耳机和高端金属3D打印机为其Merlin火箭发动机制造零件。2014年，SpaceX开始在太空飞行硬件上使用3D打印技术。当年1月，该公司透露，猎鹰9号火箭装有3D打印的主氧化阀部件，这是SpaceX首次使用3D打印部件。该部件在高压液态氧下正常运行，并且能够承受高振动和低温。 猎鹰9号运载火箭9台发动机布局 载人“龙飞船”由美国宇航局委托SpaceX公司打造，高约6米，宽约3.7米，共4个舷窗，可以搭载7名宇航员，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 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。 马斯克公布采用3D打印制造龙飞船发动机 Merlin和SuperDraco发动机的开发对于SpaceX航天器的发展至关重要，它们成功的将宇航员送入了预定轨道。 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，大片感十足。黑色部分运用了聚酰胺纤维制成——弹性、柔韧性一流，这可使得宇航员不像以前一样被服装限制行动。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 其中，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。 宇航服对比 纳入Velo3D无支撑金属3D打印无论是在地球上还是在轨道上使用3D打印技术，SpaceX都没有丝毫放缓的迹象，并且专注于可扩展性和降低成本，这可能成为SpaceX工程学的一个重要组成部分。就在上个月，SpaceX的主要3D打印机供应商之一Velo3D暗示，SpaceX已开始将其机器用于特定组件生产，而这些组件在使用以前的技术制造时会遇到很大的问题。该公司进一步声称，SpaceX为火星星际飞船而开发下一代发动机的某些组件，将可能采用Velo3D的设备生产。 ‍Velo3D无支撑金属3D打印 与传统的SLM技术不同，Velo3D能够接近实现无支撑制造，实现在现有的金属3D打印机上无法制造的几何形状。其通过软硬件组合方案解决粉末床激光熔融技术所固有的许多挑战，包括设计限制、过程控制和一致性。此前已有霍尼韦尔等航空航天公司开始采用Velo3D的解决方案，SpaceX的大力加持，无疑证明了Velo3D的技术实力。 与传统制造方式相比，3D打印技术不仅可大幅度降低生产成本，还突破了传统制造工艺对于复杂形状的限制，它带来的是生产加工观念的革命性转变，对推动全球航空航天领域的发展起到了重要作用。 END SpaceX载人飞船的发射成功，对NASA也有着举足轻重的意义，预计一次载人任务的报价预计仅在1.6亿美元级别，单座位报价远低于俄罗斯和美国新一代飞船。曾经烧钱维持国际空间站载人航天发展的局面将得到一定改善，可节约一部分资金，支持更多商业航天发展，也为下一步着重从事的深空探测储备力量。 同时，随着世界三大载人航天大国进入新一代载人飞船同台竞技阶段，目前仅有美国和中国实现了共计三型飞船实际入轨测试，SpaceX的龙飞船、波音的星际客机(并未完全成功)和中国新载人飞船。但随着SpaceX实际载人任务的成功，美国在这一领域再次保持领先优势。不过需要说明的是，目前的SpaceX龙飞船主要定位于近地空间载人任务，和能够进一步执行深空载人任务的中美俄新一代主力载人飞船还有一定的技术差距。 注：本文部分内容参考太空精酿《SpaceX 首次发射载人火箭成功的意义与亮点》欢迎转发 联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.为规避SLM的制造局限性，航空航天公司选择新型金属3D打印机 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.美国航空业成就GE增材，中国航天崛起能否再造铂力特？ 4.中国航天日 | 回顾2019年中国航天3D打印应用成就

2020年5月29日下午，中国载人航天工程办公室和中国航天科技集团有限公司在京举行新一代载人飞船试验船返回舱开舱仪式，与研制单位和搭载单位一道，共同见证搭载物品出舱。 此次搭载的货物达近千种，是载人航天工程历次任务中搭载物种类最多、重量最大的一次，其中包括陶瓷材料和纤维增强复合材料3D打印系统、3D打印的立方星部署器等。中国航天科技集团党组成员、副总经理杨保华宣布开舱，北京市方圆公证处对开舱仪式进行了现场公证。 在开舱仪式活动现场，载人航天工程总设计师周建平、副总设计师杨利伟，中国载人航天工程办公室主任郝淳，航天科技集团党组成员、副总经理杨保华等，向巴基斯坦驻华大使移交了搭载的巴基斯坦国旗，向阿根廷驻华公使移交了搭载的阿根廷国旗，向中科院空间应用工程与技术中心移交了陶瓷材料3D打印装置，向航天育种产业创新联盟移交了搭载的农作物、中草药等种子，向云南、宁夏和内蒙古移交了搭载的特色作物种子。 现场移交的还有时间触发控制电子系统试验装置、立方星试验部署器、采油微生物菌种和青少年科普试验物品等。 杨保华向五院502所移交搭载的时间触发控制电子系统试验装置。新飞船试验船在轨飞行期间，上述设备成功进行飞行试验。开舱之后，科研人员将对装置和数据进行分析，为后续科研提供支撑。 此外，五院研制的泄露碰撞检测系统和纤维复合材料太空3D打印系统也将在开舱后进行数据分析。 新飞船试验船返回舱开舱后，根据安排将取出“黑匣子”。这个“黑匣子”里面存储了涵盖整个飞行任务的大量数据，能够全面反映返回舱再入返回状态，是研制团队最期待获取的数据，对后续新飞船研制起到非常重要的作用。 新飞船的返回舱兼具载人和载货两种功能。此次试验船的返回舱，舱门右侧安装货架，能够验证部分载货设计技术；舱门左侧设有就餐区和卫生区，能够验证部分载人设计技术。 返回舱内的结构、材料都是为适应航天员长期在舱内生活设计、采用的。开舱后，设计人员将对相关区域进行检查，对微生物情况进行检测，为后续改进设计提供参考。 试验船返回舱开舱后还将进行首次返回舱返回后的加电测试，验证返回舱部分设备是否可以正常运行，为后续可重复使用提供相关数据支撑。 此外，新飞船试验船首次将高价值的星敏感器、星载计算机放入返回舱内带回地球，开舱后，科研人员将对这些设备进行检测，验证是否能正常使用，为后续可重复使用奠定基础。 中国载人航天工程立项实施至今，一直高度重视服务国计民生、提升综合效益。自神舟一号飞行任务开始，在历次任务中都搭载了具有科研价值或社会效益的公益项目，在带动科学研究、农业发展、产业升级和精准扶贫等方面发挥了积极的促进作用。 此次利用新一代载人飞船试验船飞行试验机会，搭载了有源科学试验、航天育种和空间生物实验，以及航天文化相关的近百个项目。 新一代载人飞船试验船，是我国面向空间站运营和载人月球探测任务全新研制的航天器，于5月5日由长征五号B运载火箭在中国文昌航天发射场发射升空，5月8日顺利返回东风着陆场，5月15日运抵北京。火箭和飞船分别由航天科技集团一院、五院抓总研制。 欢迎转发 联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.梳理：新一代载人飞船试验船上的3D打印应用及技术来源 2.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 3.关键结构件3D打印技术在新一代载人飞船中的应用 4.重磅：我国首次完成太空3D打印

5月5日，中国航天科技集团有限公司抓总研制的长征五号B运载火箭首飞取得圆满成功，同期一院211厂研制的全3D打印芯级捆绑支座顺利通过飞行考核验证。 捆绑支座是连接火箭芯级和助推器用于传导助推器巨大推力的关键产品，飞行时承载200余吨集中力。这是航天领域迄今为止集中力承载环境最“恶劣”的3D打印产品，也标志着211厂又一增材制造技术方向实力跃居国内先进行列。研制过程中，为了大幅度减重，设计人员对捆绑支座这一关键主承力构件进行了系统优化，最终选用了以最优传力路径设计的钛合金构件，可有效减重200千克。然而，用传统方法制造的钛合金关键承力件，其可加工性、组织性能一致性、制造周期等不能满足型号需求。为此，型号队伍首次采用3D打印技术研制这一主承力件。面对大尺寸、高精度、高性能要求的零件，211厂增材制造中心从确保产品整体质量可靠性出发，放弃惯常采用的复合3D打印方案，选择了技术难度更高的全3D打印。同时，为进一步提高产品性能，该中心选择了工艺控制难度更大的极远离平衡态成形方法。经过近4个月的工艺摸索，增材制造中心解决了大尺寸零件成形易开裂等难题，于2018年3月成功研制出首件全3D打印芯级捆绑支座产品。随后，该中心加速推进工程化应用进程，全面掌握全流程制造关键技术，产品先后通过300吨级、400吨级的全面地面考核，充分验证了产品的可靠性，具备批生产条件。2019年3月，正式产品交付。产品性能检测结果显示，经全打印的钛合金材料静载屈服强度略优于、延伸率远优于国内同期工程应用水平，强塑积提升一倍以上，全产品剖切性能离散度达到锻件水平要求。据悉，211厂将持续提升该产品的批生产效率，并推进该技术在未来航天型号大型集中传力机构中的应用。

航空航天是当今世界科技强国竞相发展的重点方向之一，其发展离不开兼具轻量化、难加工、高性能等特征的金属构件。激光增材制造为高性能金属构件的设计与制造开辟了新的工艺途径，可解决航空航天等领域发展过程中对材料、结构、工艺、性能及应用等提出的新挑战。 时值激光器诞生60周年，《中国激光》编委、南京航空航天大学材料科学与技术学院顾冬冬教授受邀撰写《航空航天高性能金属材料构件激光增材制造》长篇综述论文，系统论述了航空航天领域3类典型材料、4类典型结构的激光增材制造及航空航天应用进展，并对激光增材制造技术在材料-结构-工艺-性能一体化方向进行了总结和展望。本期，3D打印技术参考对综述内容材料部分的重点内容进行摘编介绍。激光增材制造铝合金及铝基复合材料铝合金及铝基复合材料对于激光增材制造是典型的难加工材料，这是由其特殊的物理性质(低密度、低激光吸收率、高热导率及易氧化等)决定的。从增材制造工艺角度看，铝合金的密度较小，粉体流动性相对较差，在SLM成形粉床上铺放的均匀性较差或在LMD过程中粉末输运的连续性较差，故对激光增材制造装备中铺粉/送粉系统的精度及准确性要求较高。 相对于钛基、镍基等对SLM和LMD两种工艺表现出的广泛适用性，铝基材料激光增材制造的研究工作及应用验证较多集中在SLM工艺上。目前基于SLM成形的铝合金及铝基复合材料达10余种，且多为Al-Si系，此类合金因其铸造铝合金的材料本质，即便采用优化工艺制备，抗拉强度也很难突破400MPa，从而限制了其在具有较高服役性能要求的航空航天承力构件上的使用。   激光增材制造铝合金及其复合材料的力学性能 为获得更高的力学性能，近年来Al-Cu、Al-Mg和Al-Zn等体系也被用作SLM成形材料，但这类铝合金中较高的合金元素含量和较宽的冷却凝固温度范围，使得沉淀强化合金在激光增材制造过程中易形成裂纹甚至发生开裂；且相对于铝元素，镁和锂等元素更易在高能激光的高温作用下发生气化蒸发，从而影响成形件的成分稳定性及力学性能。因此，对于激光增材制造高强铝合金而言，成分、物性参数、相变的设计及调控尤为重要。近年来，人们设计了专门面向激光增材制造的稀土元素钪改性增强的Al-Mg-Sc-Zr合金粉末，经增材制造并辅以适当的热处理工艺，其综合力学性能可显著提升（抗拉强度高于500MPa，延伸率超过10％）。 制备铝基复合材料是铝合金强韧化的重要途径。铝基复合材料兼具轻合金与陶瓷、纤维等增强体的优良特性，具有高的比强度、比模量及体积稳定性，并具有耐高温、抗磨损及抗氧化等优异的性能以及材料可设计性。激光增材制造铝基复合材料在选材上突出“多相材料可设计性”，在增材制造工艺上强调“高可控性”，在使用成效上则凸显“高性能/多功能”，这也代表了增材制造技术的重要发展方向。纳米陶瓷增强和原位陶瓷增强可有效改善陶瓷/金属界面的润湿性及结合性，抑制界面上的微观孔隙及裂纹，提升激光成形件的力学性能。 激光增材制造钛合金及钛基复合材料钛基材料因具有优异的比强度、耐蚀性和生物相容性而被广泛应用于航空航天、生物医疗、食品化工等领域，是增材制造领域经常采用的材料。目前激光增材制造钛基合金的挑战在于: 1 )激光增材制造成形完全致密的复杂结构钛基构件尚存在难度，成形过程中构件易产生气孔、裂纹及表面球化等加工缺陷，这些加工缺陷往往会成为绝热剪切带和裂纹萌生源，降低成形件的力学性能和服役性能。 2 )激光增材制造过程中极大的冷却速度和温度梯度将诱发马氏体相变，使构件内部产生较大的残余应力；随着加工层数增加，残余应力逐渐增大，从而导致热裂纹形成，并且成形件易发生翘曲，这种加工缺陷积累至一定程度时会导致成形件发生开裂，并严重降低零件的塑性和韧性。   3 )在激光加工过程中，热流主要沿着平行于增材制造的方向传导，易形成粗大的柱状晶组织，从而导致构件的显微组织和力学性能具有很强的各向异性。 激光增材制造钛及钛合金的力学性能 钛基材料对SLM和LMD两类激光增材制造工艺均表现出了较强的适用性。目前用于激光增材制造的钛合金主要集中在工业纯钛(CP-Ti)及TC4等传统钛基材料上。激光增材制造构件的显微组织调控是其力学性能提升的基础，组织演变又受控于工艺，故高性能构件激光增材制造需要建立材料-组织-工艺-性能的一体化调控理论及方法。 由于激光增材制造过程中熔池的冷却速度较快，且沿着增材制造方向具有较大的温度梯度，故而钛合金的凝固组织往往呈柱状晶结构，导致了成形件力学性能的各向异性。为改善钛合金激光增材制造过程中产生的各向异性，提高力学性能，可从材料设计（如合金化）和工艺优化（如施加复合能场）两方面加以改进。 除了合金化的思路来研发激光增材制造新型钛合金外，制备陶瓷增强钛基复合材料也是提升钛基构件力学性能的重要手段。钛具有很强的化学活性，激光增材制造过程中钛组元易与其他组元发生原位化学反应，显著增大了激光成形材料物相和组织的调控难度，故对于钛基复合材料陶瓷增强相的选择上需慎重。 激光增材制造镍基高温合金及其复合材料镍基高温合金自身含有较多的合金元素，其在激光增材制造过程中普遍存在裂纹敏感性强、元素偏析严重、显微组织各向异性显著、力学性能可控性差等问题。一方面，镍基合金中亲氧能力较强的铬、铝元素易在高温作用下与成形气氛中的氧元素发生作用，形成微细氧化物夹渣，然其与基体界面间的润湿性较差，从而导致裂纹产生并降低力学性能；另一方面，碳、铌、钼等元素易在晶界聚集，显著增加低熔点共晶相的含量，加剧了热影响区热裂纹的形成。此外，各类晶界析出物会消耗镍基体中的强化相形成元素，显著降低激光增材制造镍基构件的力学性能。 当前，镍基高温合金激光增材制造主要集中在Inconel系列合金上，其中沉淀强化型Inconel718和固溶强化型Inconel625的可焊接性强，亦适用于基于粉末熔化/凝固冶金过程的激光增材制造工艺。激光增材制造镍基高温合金的显微组织调控主要是通过优化工艺参数进而改变熔池的温度梯度、凝固速度和冷却速率来实现的，然后结合后续的热处理工艺来实现晶粒形状、尺寸以及析出相形态、含量及分布的调控。此外，采用优化的激光扫描策略也可改变晶粒的生长织构，获得高强韧镍基合金材料。 激光增材制造镍基高温合金及其复合材料的力学性能 热处理可实现激光增材制造镍基高温合金的强化，但会在一定程度上牺牲材料的韧性；同时，后处理需要合理调控加热温度、保温时间、冷却介质及热等静压的压力等参数，成本较高，工艺较复杂，缺陷形成概率也较大。基于高温高压处理的热等静压(HIP)技术可以消除激光增材制造镍基高温合金构件中的残余孔隙，抑制裂纹萌生及扩展，进而提高成形件的力学性能。 制备陶瓷增强镍基复合材料是镍基高温合金力学性能提升的另一个重要途径，可使复合材料在韧性不降低的前提下具有更高的比强度、比刚度及耐热性。 总结 总的来说，以铝、钛合金为代表的轻质高强合金，以及以Ni基高温合金为代表的承载耐热合金，是各国新材料研发计划中重点发展的材料之一，也是激光增材制造中重要的应用材料。关于增材制造材料研发的特点可以归纳为三点： 研制新型高性能材料是激光增材制造构件力学性能及应用水平提升的基础保障。 纳米复合、原位增强及梯度界面设计是提升传统金属激光增材制造强韧化的有效途径。 激光增材制造工艺调控及技术创新是金属构件显微组织改善及性能提升的根本手段。 篇幅所限，本篇只介绍航空航天增材制造的3类典型材料。 注：本文主要内容来源于顾冬冬《航空航天高性能金属材料构件激光增材制造》，部分内容参考自《中国激光》。 欢迎转发 联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：网址： 延伸阅读： 1.【高被引综述】增材制造制备新材料的研究进展 2.调整增材制造工艺参数，控制材料凝固过程，实现性能可控

2020年5月8日13时49分，由中国航天科技集团空间技术研究院抓总研制的我国新一代载人飞船试验船的返回舱，在东风着陆场预定区域成功着陆！ 新一代载人飞船是面向我国载人月球探测、空间站运营等任务需求而论证的具有国际先进水平的新一代天地往返运输飞行器。此次试验船飞行任务的圆满成功，标志着中国新一代载人飞船已具备雏形，也标志着舱体结构、材料、控制系统等领域一大批新技术取得了重要突破。 其中重要的技术突破之一，是由航天五院总体部主导的超大尺寸整体钛框架设计及成型技术。超大尺寸整体钛框架结构全部采用3D打印工艺制造，成功实现了减轻重量、缩短周期、降低成本等目标。新一代载人飞船试验船的成功返回也标志着超大尺寸关键结构件整体3D打印技术通过大考。 新一代载人飞船返回过程中，防热大底部位承受最恶劣气动力和气动热。防热大底框架结构就是气动力热作用下的最主要的承力部件。由于钛合金框架的尺寸超大，若使用传统锻造工艺造价极高。同时由于设计方案需要不断调整和迭代，使得原本就异常紧张的研制周期变得捉襟见肘。以航天五院总体部马彬为首的设计团队决定采用“化整为零”的思路，尝试采用激光沉积3D打印技术来实现“好、快、廉”的设计目标。该技术既能适应设计方案的快速优化与迭代，实现应对载荷分布的轻量化设计；又能同步开展超大尺寸钛框架3D打印工艺的研究，缩短研制周期，提高研制成品率，大大降低生产成本。 鑫精合激光科技发展有限公司是承担该防热大底框架增材制造工作的一家民营企业，集团董事长李澄介绍，高性能大型关键金属结构件制造可以说是金属3D打印技术的“鬼门关”，一方面由于零件尺寸超大，内部热应力也呈指数级上升，变形甚至开裂就成了金属增材制造技术的梦魇；另一方面凝固过程、冷却过程控制不住就会产生冶金缺陷，对于关键结构件来讲，冶金缺陷是绝不能容许的问题。 经过十几年的摸索和积累，鑫精合在激光沉积制造金属3D打印技术已经取得了重大突破，超大尺寸整体钛框架成功打印并应用，与其从设备研发生产到材料工艺参数研发的全面自主可控密切相关。本次打印过程中，鑫精合充分挖掘了国内自主研制的LiM-S2510设备的工艺潜力，配合强大的工艺设计和后处理能力，最终实现了该结构的无缺陷制造。下图为本项目采用的由天津镭明激光科技有限公司研制的LiM-S2510设备，其自主研制的工艺控制软件也在本项目的工艺实现过程中起到了关键作用。 目前，激光沉积制造技术正在越来越多的应用在航空航天领域，通过对增材制造技术认识的不断深入，我国金属制造业必将会发生本质性的变革。一是材料冶金技术将发生变革，体现在材料的制备及性能将摆脱传统冶金过程的原理性约束，实现非平衡、梯度、难熔等高性能新材料的智能制备，达到制造过程即是冶金过程的新境界；二是重大装备结构和性能将发生变革，结构件的轻量化、整体化等都将会达到新的水平；三是大型产品制造模式将发生变革，因零件尺寸原因带来的生产准备投入高、周期长等限制已获得突破，大型新产品的研制将可以实现快速、低成本、数字化/智能化制造。 新一代载人飞船返回舱的安全返回，意味着不计其数的新技术、新工艺正在中国人民的双手中蓬勃发展，意味着“中国制造”必将进入“中国创造”的全新时代，更意味着任何困难也不能阻止中华民族实现中国梦的伟大征程！

5月8日13时49分，新一代载人飞船试验船返回舱在东风着陆场预定区域成功着陆，试验船飞行试验任务取得圆满成功。这标志着我国航天事业开启了新篇章，也见证了3D打印产品在航天领域的又一次成功在轨应用。 此次试验船搭载了星驰恒动公司研制的金属3D打印产品60余件，涉及三维点阵类轻质材料结构产品、热管理功能类产品、复杂形状直属件产品等多种类型。采用金属3D打印技术缩短了产品研制周期，实现了产品轻量化和复杂形状产品的快速制造。这是该公司3D打印技术在第七个航天器型号中获得的成功在轨应用，也是其研制的3D打印热控分系统产品首次实现在轨飞行。

央视网消息：长征五号B运载火箭于5月5日发生成功，此次在新一代载人飞船试验船上搭载了一台“3D打印机”，这是我国首次太空3D打印实验，也是国际上第一次在太空中开展连续纤维增强复合材料的3D打印实验。   此次在试验船上搭载的是一台我国自主研制的“复合材料空间3D打印系统”，科研人员将这台“3D打印机”安装在了试验船返回舱之中，飞行期间该系统自主完成了连续纤维增强复合材料的样件打印，并验证了微重力环境下复合材料3D打印的科学实验目标。 据了解，连续纤维增强复合材料是当前国内外航天器结构的主要材料，密度低、强度高，开展复合材料空间3D打印技术研究，对于未来空间站长期在轨运行、发展空间超大型结构在轨制造具有重要意义。 太空3D打印技术可运用的领域主要有五个一是为载人航天器在轨制造替换零件，拓展航天器的寿命寿命，节约重复发射的成本； 二是材料的太空再循环利用，一台3D打印机可直接利用老化和废旧材料进行再回炉再制造，不必耗费新材料，甚至直接捕获太空垃圾制造零件，节约金钱的同时还很环保； 三是在轨制造在地面难以发射的部件，特别是物理尺寸较大的部件，如超大型光学镜头等； 四是技术足够成熟后制造整个航天器，虽然比较科幻，但理论上实现起来并非不可能； 五是利用其它行星建造基地，这点更为科幻，但只要获取足够打印原材料，给打印机配备一个太阳能电池板或者核动力装置作为动力源就可以持续打印建造基地。 太空3D打印技术面临的主要困难尽管如此，太空3D打印技术目前还面临很多挑战尚不成熟，主要的困难是： 一、太空环境复杂。太空处于微重力和零重力环境、无空气流动、昼夜温差大，对材料的加工精度，工艺和设备固定产生未知影响，相关的控制理论研究尚未完成。 二、质量管控难度大。加工流程和产品性能的监控都需要在太空环境下完成，与之配套的监控设备、内容、标准、方式还有待完善。 三、保障设施不完善。保障设施需要提供缓解外界压力的稳定平台，传输视频、遥控指令、状态监测等数据，必须针对不同的加工工艺提供不同功率，具备较高的自动化水平，这些都需要系统性研究。 四、人参与环节不可避免。3D设备的搬运、检查和调试、产品校验、软件加载等都需要人的参与，目前还不能做到完全无人化操作。 此次试验成功，预示着我国太空3D打印走向了一个新的发展阶段。 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.3D打印在太空探索中的应用 2.航空中的碳纤维材料：不是金属，胜过金属 3.连续纤维增材制造技术或将颠覆航空复合材料结构生产模式 --广告--

在复杂结构制造方面，增材制造技术解决了传统减材和等材工艺难加工或无法加工的局限，而且其制造成本并不随零件复杂性的增加而大幅度提高，具有“免费复杂性”的特点。中国航发北京航空材料研究院3D打印研究与工程技术中心的研究人员综述了增材制造可加工的复杂结构种类及其应用情况。本期，3D打印技术参考对此进行介绍。 点阵结构 点阵结构由结点和结点间的连接杆件按照一定的空间周期规律扩展构成。金属点阵结构具有超轻、高孔隙率、高比强、高比刚、高强韧、高能量吸收等优良力学性能，以及吸声、减震、散热、电磁屏蔽、渗透性优等特殊性能，使其兼备结构和功能的双重功用，是一种性能优良的多功能工程结构材料，在航空航天、国防军事、交通能源等各行业中均具有非常乐观的应用前景。 点阵结构示意图 2011年美国加州大学和加州理工大学的研究人员制备出超轻金属镍微点阵结构，它由 0.01%的固体和 99.99%的空气组成，密度仅为 0.9 mg/cm3，具有极高的能量吸收能力，压缩到98%后还可以恢复到原来的形状。劳斯莱斯生产的点阵结构油气分离器，孔隙率高达95%，密度仅为 0.5 g/cm 3，油气分离效率高达99%。声波进入点阵结构后引起空气震动，经多次反射和折射，原有入射声波大部分能量变成热量散失到环境中，美国杜克大学根据此原理制造出了点阵结构的“声学隐身装置”。 超清金属点阵和声学隐身装置 点阵结构空间还可以作为散热或主动致冷通道，北京航空材料研究院采用点阵结构热交换芯体替代传统板翅结构，大幅度提高了热交换器的换热面积。改变钛合金点阵结构中孔洞的体积分数和尺寸分布，可以解决植入物和骨头之间的弹性失配问题，使植入物具有量身定制的力学性能，此外，点阵结构中的开放性孔洞也更有利于骨内生长和植入物的结合。 点阵结构热交换器和人体植入物 目前金属点阵结构增材制造技术的研究主要集中在成形零件尺寸精度和成形零件性能两个方面。 大型薄壁结构 薄壁结构的特征形式有衬套、壳体、肋板等，在航空发动机叶片、机匣、燃烧室等部位广泛存在。传统铸造、锻造、焊接、机械加工生产工艺周期长，材料利用率低，且一般深径比超过10：1的薄壁结构就很难采用数控加工制备。相比而言，增材制造比较容易实现大深径比薄壁结构的制备。不过，增材制造过程中零件局部温度场呈现动态变化，相比实体结构，薄壁结构散热面积小、温度变化大、结构刚性差，其成形过程极易受温度场变化的影响，成形稳定性较差。薄壁结构一直是增材制造研究的热点与难点之一。 铂力特激光立体成形多层薄壁结构 目前，针对薄壁结构定向能量沉积增材制造成形过程中的温度场、尺寸精度控制等已经做了大量研究，但由于薄壁结构对增材制造工艺条件和环境的变化十分敏感，成形过程中的每个细微波动都会逐层累积，进而影响后续成形，因此保证成形过程的稳定性是获得质量优异薄壁件的关键。建立可靠的增材制造过程实时监控和反馈系统，实现闭环控制，是提高大型薄壁件增材制造成形过程稳定性，提高成形的精度的有效方法。 Fraunhofer为薄壁结构开发点阵保护支撑 复杂曲面结构 复杂曲面是指包含如球、椭球、双曲面等二次曲面和自由曲面的组合曲面。当前个性化且具有复杂曲面的零件日益广泛地应用于人们的生产生活中，在飞机、船舶、汽车等重要制造行业，为满足流体力学要求，常需采用结构复杂曲面结构；部分艺术品等，需要通过复杂的外型结构设计来满足人们日益增长的审美需求。如何高精度、高效率和低成本地制造这些复杂曲面结构，是工业设计领域对现代制造业提出的基本要求。增材制造由于其独有的成形工艺，在加工曲面零件的复杂表面和内部结构方面，具有独特的制造优势。 含点阵的半球体结构 GE公司采用增材制造技术制备了具有自由空间曲面的发动机风扇叶片。美国Los Alamos实验室(LANL)采用螺旋轨迹扫描技术制备出全致密半球零件。国内北京航空航天大学、北京航空材料研究院、西北工业大学等单位均采用LMD技术制备了带空间自由曲面叶片的航空发动机整体叶盘。 增材制造发动机风扇叶片和拓扑天线支架 增材制造成形空间复杂曲面结构的研究，大多集中在针对特定材料、特定工艺参数下的临界成形倾角的确定，较少关注具体结构的成形。实时监测及闭环反馈控制同样是提高复杂曲面结构增材成形过程稳定性、保证成形精度的有效途径之一。 一体化结构 结构一体化是零件设计和发展的重要趋势，增材制造可以将原本由多个构件组合的零件进行一体化制备，避免了多个零件组合时所需的连接结构，如法兰、焊缝等。 GE公司将原本20多个零件的燃油喷嘴进行一体化设计与SLM制备，并将其应用到 LEAP发动机上，不仅改善了喷油嘴容易过热和积碳的问题，还使其服役寿命提高了5倍。霍尼韦尔公司采用EBM制造了镍基合金HTF7000发动机的管腔，由原本的8个部件组合形成1个部件，交付周期从几个月大幅缩短至几周，生产成本降低50%。一体化结构还被广泛应用到航空发动机整体叶盘、增压涡轮、支座、吊耳、起落架等其他结构。空间异型管道的传统制造工艺为注塑成形、铸造等方式，不仅制造成本高、生产周期长，对于管道需要的复杂样条曲线一次很难制备成功，增材制造为空间异型管道一体化制备提供了可实用的技术。 3D打印一体化制造的燃油喷嘴和飞机起落架 除了静态结构以外，增材制造还能方便实现动态机构的一体化制造。动态一体化机构特点在于免组装、可实现动态联接，传统机械构件需要分步制备各个单独构件，然后再将其装配起来，而增材制造可直接得到免组装的整体机构，节省装配步骤。 一体化制造的免组装铰链结构 END 增材制造在复杂结构制造方面具有显著的优势，不过要实现大批量工程化应用仍有大量基础科学问题需要解决。增材制造构件的表面质量与同等尺寸精密铸件相比尚存一定差距，目前常规SLM成形的尺寸精度为0.1 mm左右、表面粗糙度Ra在6.3μm左右，EBM成形精度为0.1～0.2 mm、表面粗糙度Ra为20～30μm。 此外，增材制造成形过程伴随着复杂的物理、化学、冶金过程，应力变形控制难度大，十分容易产生气孔、未熔合、裂纹等冶金缺陷，严重影响构件尺寸精度及力学性能。进一步加强增材制造基础工艺研究，揭示成形过程中应力演变规律、快速熔凝固原理、变形开裂行为、内部缺陷形成机制等，依然是今后增材制造复杂结构的研究重点。 本文上传内容包含：复杂结构增材制造、高性能材料增材制造、增材制造需要重要发展研究的几个方面。 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.3D打印点阵结构的特殊属性及应用场景 2.考虑极限特征约束的增材制造设计方法 3.3D打印集成制造的最佳实例 4.Fraunhofer开发薄壁零件后处理消振结构

导读：美国航空航天的发展，成就GE航空和GE增材；而与美国的差距，让国内航空航天领域金属3D打印市场的需求缺口远远超过美国，这也将催生出中国金属3D打印世界巨头。（本文内容由亿欧网首发） 航空航天领域一直是科技发展的最前沿，聚集了一个国家众多的高精尖技术。因此，航天科技水平也是国家工业实力的体现。 作为航空航天领域的技术结晶，时下最新升空的飞行器中的许多重要零部件——如C919大型客机发动机中的“燃油喷嘴”、航天卫星上的“支架”——都是由金属3D打印技术制造。这在十几年前，还只能出现在科幻小说中。 科创板3D打印第一股铂力特（688333）就是研发金属3D打印技术中的佼佼者，自2011年成立起便专注于工业级金属3D打印。目前，铂力特已经自主研发了十余个型号的3D打印设备，其3D打印零件产品也已经应用于民用飞机、先进战机、无人机、新型导弹、空间站和卫星等高精尖领域。 近几年，铂力特发展迅速，2016年至2019年，该公司营收从1.6亿元增长至3.2亿元，复合年均增长率达到26%。 但是，如今70%的3D打印企业都面临亏损。这种局面之下，铂力特将如何保持盈利？同时，在国内蓬勃发展的航空航天产业强势驱动下，其能否成长为本土金属3D打印巨头？ “买”出来的3D打印巨头 金属3D打印由于可以快速制造复杂精密构件，还可以降低材料成本、减轻材料重量，被广泛应用于航空航天、汽车工业、船舶制造、能源动力、医疗健康等众多前沿科技领域。 纵观全球金属增材制造市场，目前行业头部公司主要包括：德国EOS、美国3D systems（DDD.NYSE）、德国SLM solution（ETR: AM3D）以及美国GE增材（GE.NYSE）。如果分析已上市的3D systems和SLM solution的财报，就会发现它们2018年都处于亏损状态，分别亏损4600万美元、1338万欧元。 反观铂力特，虽然营收规模与3D systems和SLM Solution仍有一些差距, 但其净利润在2016年至2019年间一直保持增长，从3132万元增至7361万元。 利润能保持增长也得益于铂力特与航空航天领域的紧密结合，目前，铂力特过半的营收都来自于航空航天领域，2018年该公司在航空航天领域营收1.8亿元，占总营收的62%。 值得注意的是，营收的一大部分也来自于3D打印定制化产品，2018年铂力特3D打印定制化产品贡献了该公司42%的营收。 铂力特客户所属行业营收占比 这也让铂力特和美国GE增材有了一些相似之处。有趣的是，铂力特与GE增材制造公司曾于2017年和2018年先后获得“全球3D打印OEM奖（企业）”。 美国GE增材是一家全球领先的金属3D打印装备及服务供应商，与铂力特不同，GE增材单从名字上就能看出其与通用电气有着必然的联系，而它也正是通用电气这个市值超过600亿美金的庞然大物在3D打印领域的部署企业。 这个创立于1892年的世界最大技术和服务业务跨国公司，经过百年的发展，其业务已经涵盖了航空发动机、电气设备、航空服务、工业系统等多个领域。 而GE增材的发展一直依托于GE航空这个强有力的“靠山”，航空发动机燃油喷嘴也是GE增材实现快速发展的“诱因”。 燃油喷嘴是发动机燃烧室中的关键零部件，它决定了燃油的稳定燃烧以及燃烧效率。 GE新喷嘴头将20个组件合而为一 2010年，GE航空成立增材制造部门，在2012年GE成功用增材制造的方式制造了第一个燃油喷嘴，而为了保证服务稳定性，财大气粗的GE开启了在3D打印领域的疯狂收购。 2012年GE先是收购Morris Technologies，使其初步具备了一定的3D打印技术服务能力；2013年，收购意大利航天公司AVIO，掌握了“电子束选区熔融技术”技术，并用于制造钛铝合金低压涡轮机叶片； 2016年，GE先后斥资6.85亿美元以及5.99亿美元收购了两家世界领先的金属3D打印公司，瑞典Arcam与德国Concept Laser。随后，在整合了行业众多优质资源后，GE Additive公司（GE增材）成立。 至此，GE一跃成为全球最大的3D打印厂商，也完成了从增材制造应用向增材制造装备及服务供应商的转变。如今，GE增材已经打印了超过3万个航空发动机燃油喷嘴，并实际应用于其最先进的“LEAP发动机”中，空客A320 NEO、波音737 MAX和中国国产C919大型客机都采用了Leap引擎。 GE的成功可以复制 虽然，大规模的收购让GE快速切入金属3D打印领域，并成为这一领域的领头企业，但这一切的背后，GE航空功不可没。 GE航空是世界领先的民用、军用、公务和通用飞机喷气及涡桨发动机、部件和集成系统制造商，全球每2秒钟就有一架应用GE发动机技术的飞机起飞，而它的发展也可以看作是美国航空产业发展的缩影。 100年前，从GE研发的涡轮增压器首次解决飞机发动机在高海拔地区性能减弱的问题开始，GE正式进入航空领域。随后，GE航空相继创造了很多“第一”，其研发了美国第一台喷气式发动机、世界第一台大“涵道比”涡扇发动机、旗下CFM56系列发动机更是成为航空史上首个实现10亿飞行小时的发动机系列。 可以说，GE推动了美国航空产业的发展，而美国航空产业也成就了GE航空。百年的资源积累，让GE增材能够与自身产业快速融合，与其他金属3D打印公司为了业务四处奔波不同，仅仅是来自GE航空的需求就足够竞争对手“眼红”，不仅如此，GE医疗、GE工业也将继续推动其3D打印业务发展。 GE9X发动机上的3D打印部件 与GE增材不同，市值仅37亿元的铂力特背后并没有其他强大的业务线支撑，资金实力也不足以整合收购业内巨头。但相同的是，它们都背靠各自国家的航空航天产业，而铂力特的客户也是中国航空工业集团有限公司、中国航空发动机集团有限公司、中国航天科工集团有限公司等在中国航空航天领域拥有垄断地位的超级巨头。 除此之外，我国在航空航天领域的全力追赶，也给了铂力特一个成长为世界巨头的机会，GE航空正是抓住了同样的机遇才奠定了当前的市场地位。 先看民用、军用飞机领域，根据《World Air Force 2018》报告统计数据，中美两国的航空装备存在着相当大的差距。从数量上看，中国军用飞机数量仅为3036架，而美国军队飞机数量高达13407架。我国军机更新换代，飞机种类、数量提升空间巨大。而民用飞机市场同样拥有巨大潜力。据中国商飞预测，未来二十年，中国航空市场价值约1.4万亿美元。 我国新一代军机普遍使用3D打印技术 再看航天领域，在过去的2019年里，中国的航天发射总次数达到34次，连续两年成为全球年度航天发射次数最多的国家。2020年也被称之为“航天超级年”，这一数字将有望突破40次。不仅如此，北斗导航卫星全球系统、探月工程、载人空间站等重大航天计划的稳步推进，也让中国航天产业的前景一片光明。 眼下，铂力特金属3D打印设备的技术参数已经基本追上世界巨头德国EOS公司同类产品水平，其所生产的S500、S600等大型SLM设备解决了我国大型航空航天精密复杂构件的生产制造瓶颈问题；S310型号设备也通过了空中客车公司认证，成为空客A330机型增材制造项目主要设备。 铂力特大尺寸金属3D打印产品 同时，铂力特增材制造的零件已经批量应用于7个飞机型号、4个无人机型号、7个航空发动机型号、2个火箭型号、3个卫星型号、 5个导弹型号、2个燃机型号、以及1个空间站型号。 接下来，随着我国航空航天产业的不断发展，铂力特受益可期。除此之外，中国作为“世界工厂”，在其他工业领域也将为铂力特带来巨大的“舞台”。金属加工所及之处，3D打印都有机会。 美国航空航天的发展，成就GE航空和GE增材；而与美国的差距，让国内航空航天领域金属3D打印市场的需求缺口远远超过美国，这也将催生出中国金属3D打印世界巨头。 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.GE9X发动机：多材料金属3D打印航空应用的集大成者 2.GE喷嘴真相：3D打印制造的仅是喷嘴头，但效益空前巨大

众所周知，GE公司自2015年已经使用增材制造技术批量生产发动机燃油喷嘴。与之前传统加工零件模型相比，增材制造的组合喷嘴的耐久度提高了5倍，且增材制造技术将之前20个零件组合为1个单独组件，减少了传统加工工艺中必须使用的焊接技术。这种燃油空气组合喷嘴已经用在LEAP等发动机上。 燃油空气组合喷嘴工作过程 由于增材制造技术在过去几年持续受到重视，燃油喷嘴的组合设计和增材制造方案也开始被包括中国在内的很多国家尝试。本期，我们介绍航发院杨谦研究员关于3D打印在燃料喷嘴组合制造中的应用潜力与优势分析。 发动机燃烧室最关键的一个组件 燃料空气组合喷嘴是燃烧室中最关键的一个组件。它的作用是使液态燃料形成良好的雾化颗粒群，对液态/气态燃料和空气进行高效混合，在燃烧室头部产生稳定火焰的回流区，生成的旋流火焰满足燃烧室的点熄火、燃烧效率、排放物和出口温度指标要求。 目前，先进的燃料空气组合喷嘴往往采用燃油喷嘴+单级或多级旋流组件组成，燃油喷嘴流道和旋流空气流道结构复杂，采用传统制造方法零件数量和加工工序较多，增材制造加工技术的出现为喷嘴生产制造提供了一个优化路径。 正在打印中的喷嘴 另外，增材制造个性化制造的特点在异形组合喷嘴的加工上也得到了应用。无人飞行装置的动力系统在使用高能量密度燃料时会出现燃烧系统低效能的情况。为解决微尺度燃烧室效率和耐久性问题，表面积与体积比率很高的微型燃烧室多采用微尺度和中等燃烧尺度燃烧组织方式，应用传统的制造工艺面临诸多困难。 采用金属3D打印技术成功制造多个4×4中等尺度的受控旋流阵列组合喷嘴，充分验证了该技术加工小型复杂高纵横比零件的可靠性和可重复性。但在加工过程中也出现了一些不足和问题，如孔形变窄、通道塌陷和结构加工不完整等情况。奥地利Combustion Bay One团队为了降低旋流通道的压力损失，优化旋流喷嘴的流动燃烧性能，设计出多个使用数学分析手段得到的螺旋式旋流器。在进行评估之后，采用SLM技术完成了IN718材料的旋流器加工。据统计，一个旋流器的平均加工时间为10h，壁面厚度最小可以达到0.5mm，且在加工过程中不需要额外的支撑结构。 增材制造在异形组合喷嘴加工的应用，加工过程无需支撑 同样，利用增材制造技术进行燃油喷嘴和旋流器制造的还有赛峰直升机发动机公司、西门子公司和Euro-K公司等。在满足制造精度的前提下，增材制造技术使得制造工序大大减少，有效地缩短了生产周期，降低了成本。 传统加工面临的挑战有哪些 燃料空气组合喷嘴航空发动机对燃烧室性能要求的提高使得燃烧室头部的燃烧组织方式发生了较大的改变。从传统的燃料空气组合喷嘴进一步发展出了中心分级头部燃烧组织方式。由于燃料空气组合喷嘴的设计需遵循强化混合的目标，燃料流动通道和空气流道在上游分隔而下游合并，燃料流速较空气更高，因此，流道尺寸小，空气量相对大且需确保均匀，往往采用轴对称的尺寸相对较大的旋转结构，这些特点使得燃料空气组合喷嘴的结构异常复杂。 喷油嘴头部复杂结构 在加工过程中，由于小孔、燃料管道、旋流叶片和复杂混合腔道的存在，需要将喷嘴分拆为多个零件进行加工。在加工和装配的过程中，还需要设计多个工序来保证尺寸、精度、粗糙度和密封性的要求。而且，分级喷嘴的出现，使得燃油流道和空气流道的个数进一步增加，燃油流道由1～2级变为2～4级，空气流道由2～3级变为3～6级。同时，具体结构的尺寸差异也在放大。采用传统加工方式，组合喷嘴分拆出的零件数量将会由5~10件增加到20件以上甚至更多。由于结构复杂性的增加，零件的装配和焊接会遇到巨大的困难，需要进行精细的结构设计来避免装配问题的发生。 增材制造技术的应用潜力及优势分析 增材制造技术应用在燃料空气组合喷嘴上将会大大促进喷嘴研制的发展。其应用在喷嘴研制领域的优势体现在以下几个方面。 一是减少加工装配工序的个数。由于增材制造技术是一次成型的制造技术，在进行喷嘴生产的过程中只需要提供符合设计要求的喷嘴3D模型就可以一次性加工得到。 二是可以实现多种复杂结构的设计方案。对于传统加工方法很难做好的多级旋流结构、油气混合腔道和吹扫空气结构等，增材制造技术通过模型生成都可以做到。 南科大基于增材设计的航空发动机燃油喷嘴剖面图 三是保证密封要求。由于不存在焊接工序，燃油和空气流道的密封性可以得到更好的保证。 四是尺寸精度更高。增材制造技术的最高精度在μm量级，完全能够满足尺寸在mm量级上的喷嘴加工限制要求。 五是加工周期短。由于增材制造技术工序的减少，增材而非减材的方式注定了其加工用时大多短于传统机械加工方式。 国内设备商打印的航空燃油喷嘴 END 近年来，国内中科院、西工大、南科大、中国航发等单位针对燃油喷嘴的组合设计和增材制造研究也取得了很大进展。这些进步不仅包括结构设计方法和制造工艺，还涉及抛光等后处理方案以及可靠性验证研究。经过优化设计和SLM成形的喷嘴壳体简化了装配和焊接等加工工序，缩短了制造周期，流道成形精度高，达到了减轻重量和改善性能的目的。但我们都知道，如此重要的部件，还需要经过实际应用的检验。 欢迎转发联系笔者：2396747576；交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.GE喷嘴真相：3D打印制造的仅是喷嘴头，但效益空前巨大 2.3D打印集成制造的最佳实例：从855个零件到12个零件的非凡效益 3.3D打印实现制造轻量化（二）：优化设计，降低材料使用要求 4.采用3D打印制造火箭发动机的设计与工艺考量 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：3D打印在燃料喷嘴组合制造中的应用潜力与优势分析