3D 打印技術(shù)能夠快速生產(chǎn)出復(fù)雜形狀的零件，減少了傳統(tǒng)制造方法中繁瑣的工藝和漫長的加工周期。例如，火箭發(fā)動機等一些復(fù)雜的零部件，都可以通過 3D 打印精確制造，提高了零部件的性能和可靠性。與此同時，3D 打印還可以實現(xiàn)輕量化設(shè)計，通過優(yōu)化設(shè)計和材料選擇，能夠制造出更輕但強度足夠的零部件，這對于航天器減輕重量、降低發(fā)射成本具有重要意義。
蓬勃發(fā)展的商業(yè)航天事業(yè)
●2024年6月9日，中國商業(yè)航天創(chuàng)業(yè)公司東方空間成立四周年，四年間東方空間已完成了5輪融資，累計融資17億元。今年1月11日，東方空間的引力一號火箭首飛成功，刷新了全球固體運載火箭的紀(jì)錄，將我國固體火箭運載能力再提升3倍，標(biāo)志著我國商業(yè)航天自主創(chuàng)新的重大突破，為中型運載火箭便捷高效發(fā)射的實現(xiàn)，提供了高性價比的解決方案。
● 6月11日，天兵科技宣布完成超15億元C+輪新增融資。本輪資金將主要用于天龍三號大型液體運載火箭的首飛與批量化生產(chǎn)，天龍三號可回收狀態(tài)產(chǎn)品研制，以及天龍二號中型液體火箭的批量化生產(chǎn)。作為商業(yè)航天領(lǐng)航企業(yè)，天兵科技自成立五年來，已完成了15輪融資，累計獲得資金支持超40億元。在眾多知名投資機構(gòu)的持續(xù)助力下，天兵科技在火箭研制、發(fā)射服務(wù)及技術(shù)創(chuàng)新等方面取得了顯著成果。2023年4月2日，天兵科技的天龍二號中型液體運載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功首飛，成為二十多年來全球第一家首飛即成的民營企業(yè)，天龍二號的首飛成功標(biāo)志著中國商業(yè)航天液體火箭開啟新紀(jì)元。
●4月15日，藍箭航天朱雀三號可復(fù)用火箭垂直起降回收試驗箭（以下簡稱“試驗箭”）順利完成“十公里級飛行”改造和總裝工作，將全面轉(zhuǎn)入最后的總測和出廠階段。這是繼1月19日圓滿完成百米級垂直起降飛行試驗后，朱雀三號可復(fù)用火箭準(zhǔn)備迎戰(zhàn)的又一個新里程碑節(jié)點。
● 5月29日16時12分，在太原衛(wèi)星發(fā)射中心海上發(fā)射團隊的組織指揮下，星河動力航天公司于山東附近海域圓滿完成谷神星一號海射型（遙二）發(fā)射任務(wù)，搭載發(fā)射的“天啟星座”25星至28星共4顆衛(wèi)星順利送入850km的近地軌道。
根據(jù)《中國航天科技活動藍皮書（2023年）》的數(shù)據(jù)，2023年我國共完成26次商業(yè)發(fā)射，成功25次，發(fā)射成功率達96%；共研制發(fā)射120顆商業(yè)衛(wèi)星，占全年研制發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量的54%。據(jù)悉，目前國內(nèi)已有9型商業(yè)運載火箭可提供發(fā)射服務(wù)，商業(yè)航天已形成穩(wěn)定的服務(wù)能力。
提到商業(yè)航天就不得不提起美國的 SpaceX，作為商業(yè)航天的領(lǐng)路人，2023年共發(fā)射98次火箭，除去2次實驗性質(zhì)的發(fā)射，旗下“獵鷹9號”和“重型獵鷹”可復(fù)用運載火箭96次發(fā)射全部成功，全球占比43%；發(fā)射質(zhì)量達1195噸，全球占比80%；發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量為2514顆（其中“星鏈”占1948顆），全球占比87%。
3D打印成為商業(yè)航天的制造利器
此前，有商業(yè)航天公司也透露過，他們使用3D打印技術(shù)制造火箭的零部件，本文我們搜集整理一下，當(dāng)前市面上的商業(yè)航天公司是如何使用3D打印技術(shù)來制造火箭零部件的。
星河動力3D打印液氧煤油發(fā)動機部件
星河動力研發(fā)了國內(nèi)首臺50噸級變推力，重復(fù)使用開式循環(huán)液氧/煤油發(fā)動機?！吧n穹”液氧/煤油發(fā)動機作為“智神星”液體運載火箭第一級（7臺）和第二級（1臺）主動力裝置，是多次啟動變推力燃氣發(fā)生器循環(huán)液體火箭發(fā)動機。每臺發(fā)動機海平面額定推力40噸，最大工況海平面推力50噸（第一級具備1臺“Engine-out”能力），最小工況海平面推力10噸（變推比4:1），變推力工作時滿足助推級垂直下降和軟著陸回收要求，發(fā)動機具備多次重復(fù)使用和故障檢測與隔離能力。每臺發(fā)動機重復(fù)使用次數(shù)50次，具備±6°搖擺能力，發(fā)動機推重比大于120。
2019年7月，飛而康科技與星河動力公司建立了聯(lián)系，并在9月正式承接了此項目，各大小零件總計30多件。該批零件在設(shè)計制造的過程中，使用了華曙高科金屬3D打印解決方案，歷時4個月順利完成所有零件的交付。期間，飛而康團隊在華曙高科開源金屬3D打印設(shè)備上開發(fā)了針對火箭發(fā)動機部件的激光束焊接，葉輪、轉(zhuǎn)軸的五軸加工工藝，動平衡實驗，陽極氧化處理，以及氣壓液壓測試多套專屬定制試驗工裝。此次與星河動力公司的合作是在火箭發(fā)動機部件增材制造發(fā)展上的一個大膽突破。
渦輪泵的泵輪與蝸殼在設(shè)計之初，分別進行了簡單型面的機加方案與復(fù)雜型面的3D打印方案設(shè)計，后者較前者效率提高約5%。另外，渦輪盤也同樣采取了機加成形與3D打印成形兩種方案，機加成形需要20～25天，3D打印僅需要3～4天，縮短80%制造周期，降低了生產(chǎn)成本。
深藍航天全3D打印液氧煤油發(fā)動機
深藍航天液氧煤油可重復(fù)使用發(fā)動機“雷霆-R1”繼承了雷霆-5發(fā)動機的3D打印技術(shù)和工藝。雷霆-5發(fā)動機全機85%重量的零件都由3D打印技術(shù)制作，是國內(nèi)首型使用3D打印技術(shù)制造的針?biāo)ㄊ揭貉趺河桶l(fā)動機，并成功裝配于“星云-M”試驗箭，連續(xù)成功進行了十米級、百米級、公里級VTVL試驗，積累了寶貴的經(jīng)驗。
相比之下，規(guī)模更大、性能更強的雷霆-R1發(fā)動機也采用了雷霆-5發(fā)動機的成功技術(shù)基礎(chǔ)，主要零件都由3D打印機完成。
3D打印技術(shù)可以顯著縮短發(fā)動機制造流程，降低成本。例如采用傳統(tǒng)工藝條件下由數(shù)百個零件組成的液體發(fā)動機推力室，在采用3D打印技術(shù)后可以將零件數(shù)量減少到2個，在實際工況中出現(xiàn)故障的概率得以降低。此外，傳統(tǒng)發(fā)動機制造技術(shù)的市場供應(yīng)受限，而3D打印技術(shù)正在迅速蓬勃發(fā)展，市場化供應(yīng)商來源更加廣泛；深藍航天依托市場化環(huán)境，在競爭中有更加顯著的優(yōu)勢。
藍箭航天3D打印液氧甲烷發(fā)動機零件
2024年1月19日，藍箭航天自主研發(fā)的朱雀三號VTVL-1可重復(fù)使用垂直起降回收驗證火箭首次大型垂直起降飛行試驗任務(wù)取得圓滿成功！該任務(wù)驗證了藍箭航天可重復(fù)使用液氧甲烷火箭一子級垂直回收總體方案的正確性，大范圍變推力液氧甲烷動力系統(tǒng)方案的正確性，火箭控制系統(tǒng)與發(fā)動機調(diào)推特性的匹配性，火箭著陸段制導(dǎo)與控制方案的正確性，火箭軟著陸緩沖機構(gòu)工作性能，以及可重復(fù)使用火箭測發(fā)、回收和后處理流程的正確性，成功獲取了朱雀三號可重復(fù)使用液氧甲烷火箭關(guān)鍵技術(shù)的核心試驗數(shù)據(jù)。鉑力特為此次飛行任務(wù)提供全方位的金屬增材制造技術(shù)支持。
鉑力特與藍箭航天的合作開始于2019年，鉑力特已助力藍箭航天朱雀三號可重復(fù)使用火箭首次大型垂直起降飛行試驗任務(wù)、朱雀二號遙二和遙三運載火箭發(fā)射任務(wù)等取得成功。藍箭航天研制的液氧甲烷發(fā)動機已經(jīng)完成技術(shù)攻關(guān)和工程化研制階段，進入批量生產(chǎn)階段，對產(chǎn)品的性能、周期、成本等方面要求較高。鉑力特利用金屬3D打印技術(shù)幫助藍箭研制并批產(chǎn)了多型零部件。
以點火彎管為例，該零件尺寸為140mm×187mm×140mm，為管路類薄壁零件，且具有異形結(jié)構(gòu)，以往的經(jīng)驗中生產(chǎn)難度大，材料利用率低。鉑力特產(chǎn)品團隊考慮到零件易變形的特點，開發(fā)了定制化的工藝方案，選用了高溫合金材料，利用BLT-S400設(shè)備實現(xiàn)該零件的批量生產(chǎn)。滿版可成形10件，打印時間約65小時。在保證產(chǎn)品質(zhì)量精度的同時實現(xiàn)了零件的快速制造，幫助客戶節(jié)約生產(chǎn)成本，加快技術(shù)迭代，提高研制效率。
鉑力特參與的商業(yè)航天典型應(yīng)用場景包括：可重復(fù)使用液氧甲烷火箭、固體運載火箭、液體運載火箭，立方星部署器、實驗衛(wèi)星、商業(yè)通信衛(wèi)星等；其中多個商業(yè)航天項目已進入批量生產(chǎn)階段。
天兵科技超大尺寸推力室不銹鋼3D打印
2024年1月，商業(yè)航天企業(yè)天兵科技為大型液體運載火箭天龍三號配套研制的110噸推力液氧煤油火箭發(fā)動機“天火十二“（簡稱TH-12）圓滿完成首飛批次校準(zhǔn)熱試車。
天兵科技百噸級天火十二（TH-12）火箭發(fā)動機在國內(nèi)首次采用冷氣多次起動技術(shù)，自燃點火技術(shù)，燃燒不穩(wěn)定抑制技術(shù)，超大尺寸推力室不銹鋼3D打印制造技術(shù)，渦輪盤熱力組件3D打印技術(shù)等四十余項關(guān)鍵創(chuàng)新技術(shù)，目前已通過多次試驗得到充分驗證。
天兵科技創(chuàng)始人兼董事長康永來在一次采訪中表示：天龍二號是中國首款采用3D打印液體火箭發(fā)動機的運載火箭，發(fā)動機有接近90%部件都是3D打印的。按照以往的流程和制作工藝，發(fā)動機采用的材料多，設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝流程長，生產(chǎn)耗時長，采用3D打印技術(shù)之后，發(fā)動機制造周期縮短了70%-80%，成本降低至原來的一半左右。
天兵科技剛開始決定做3D打印方案的時候，市面上沒有能3D打印相關(guān)部件的公司，如何提高供應(yīng)端3D打印工藝的穩(wěn)定性，3D打印產(chǎn)品出來后，如何進行處理，將3D打印的材料性能做進一步的提升，背后都需要大量的工作。天兵科技跟供應(yīng)商一起研究，最終實現(xiàn)了3D打印的方案，這項技術(shù)攻關(guān)，將中國3D打印技術(shù)向前推進了一大步。
“我們某種意義上推動了3D打印這個產(chǎn)業(yè)，把中國3D打印技術(shù)全面推向高端裝備制造業(yè)?！笨涤纴碚f。
東方空間3D打印主捆綁相關(guān)零件
東方空間自主研制的引力一號（遙一）海瀾之家號運載火箭搭載云遙一號18星-20星共3顆衛(wèi)星順利進入預(yù)定軌道，飛行試驗任務(wù)獲得圓滿成功。
“引力一號”運載火箭首飛即采用難度較高的海上發(fā)射，創(chuàng)造了全球最大固體運載火箭、中國運力最大民商運載火箭、中國首型捆綁式民商運載火箭等多項紀(jì)錄，標(biāo)志著我國商業(yè)運載火箭自主創(chuàng)新取得重大進展，擴充了我國中低軌衛(wèi)星多樣化、規(guī)模化發(fā)射能力，進一步豐富了我國運載火箭型譜，助力我國衛(wèi)星星座組網(wǎng)大規(guī)模建設(shè)。
鉑力特參與了“引力一號”的研制工作，為客戶打印了主捆綁相關(guān)零件。這些零件尺寸大，且均為易變形的異形結(jié)構(gòu)零件。利用傳統(tǒng)加工方式難度大，周期長，材料利用率低。而利用LSF技術(shù)可以實現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)件的快速制造。
鉑力特的LSF技術(shù)實現(xiàn)了大尺寸異形結(jié)構(gòu)件的近凈成形，降低了零件生產(chǎn)周期和成本，縮短研制周期，大大提升材料的利用率，降低了制造成本。經(jīng)檢驗，TC11鈦合金零件室溫拉伸力學(xué)性能可靠，抗拉強度≥1060MPa，屈服強度≥885MPa，滿足技術(shù)要求，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。并且在固化工藝后，成本及周期滿足批量生產(chǎn)需求。鉑力特利用多臺設(shè)備同時打印的方式為客戶批量生產(chǎn)了主捆綁相關(guān)產(chǎn)品共計30余件。成形零件的質(zhì)量性能一致性高，滿足航天領(lǐng)域嚴(yán)苛使用需求，幫助火箭成功發(fā)射升空。
咨詢3D打印機床電話：15910974236
END
因為很多內(nèi)容涉及商業(yè)保密，因此企業(yè)無法公開更詳細的3D打印制造過程。盡管存在挑戰(zhàn)，但不可否認的是，3D 打印技術(shù)在商業(yè)航天領(lǐng)域的應(yīng)用正不斷拓展和深入。隨著技術(shù)的不斷進步和完善，它將為商業(yè)航天帶來更多的創(chuàng)新和發(fā)展，為人類探索宇宙提供更有力的支持。
來源：南極熊3D打印
