3D打印技术发展现状 - 3D打印作为增材制造，其发展经历了从等材制造、减材制造到增材制造的变迁，1987年3D Systems推出首款光固化设备SLA-1并打印了全球首个增材制造部件 [4] - 技术迭代推动3D打印从概念走向量产，2002年德国研制的装备可成形接近全致密的精细金属零件，性能达到同质锻件水平，工业化应用开始加速 [5] - 目前金属3D打印可使用材料更广泛、速度更快、质量更高，市面上已有近20种不同的金属增材制造技术 [5] - 3D打印通过省去模具需求降低初始成本，但其成本优势随生产规模扩大而减弱，需综合考虑设计复杂度、生产批量和交付周期 [9] - 产业的降本并非通过单纯产量规模化，而是通过技术革新直接改变单位生产成本，从而在更大批量下相比传统工艺也具有优势 [12] - 根据Gartner技术成熟曲线，2010年前后因消费级应用出现关注度高点，随后技术持续进步证明了其对制造业的价值，完成了从原型制造到小批量、大批量终端部件直接生产的跨越 [15] 七大技术路线 - 3D打印产业针对各种材料衍生出不同加工工艺，从大分类看一般分为7类：材料挤出、光聚合、粉末床熔融、材料喷射、黏结剂喷射、片材层压和定向能量沉积 [18] - 光聚合是最常见的聚合物打印技术路线，通过光源升级等优化出现了直接光处理、连续液体界面打印等新技术 [21] - 粉末床熔融工艺通过热能选择性熔化/烧结粉末床区域，代表性工艺有激光选区熔化、激光选区烧结、电子束选区熔化，选材广泛，从尼龙到金属粉末均可 [21] - 定向能量沉积通过直接熔化材料并逐层沉积来制造零件，主要用于金属粉末或线材，可与粉末床熔融技术协作使用 [25] - 与粉末床熔融相比，定向能量沉积可在一个零件上打印不同材料，可用于损坏修复，可加工尺寸往往更大 [27] - 材料挤出成形是最常见和便宜的3D打印技术路线，消费级3D打印主要采用此技术进行聚合物打印 [29] - 黏结剂喷射技术需同时使用粉末与黏结剂，打印后零件处于生坯状态，需要额外后处理（如烧结）才能使用 [29] - 材料喷射技术将材料沉积到构建表面后使用紫外光固化，方式与喷墨打印机类似 [32] - 层叠制造主要将薄层材料逐层黏结以形成实物，可用于轻质部件加工 [36] 3D打印成为商业航天解决方案的原因 - 设计优势：3D打印带来基于增材制造的产品设计理念，突破传统制造方式限制，设计变化不改变加工方式，可通过拓扑优化、有限元分析优化模型结构 [39][43] - 面向增材制造的设计可大幅减少零部件数量，例如NASA的增材制造验证机计划通过3D打印将零件数量减少80%，仅需要30处焊接 [43] - 成本优势：相比铸造、CNC等传统工艺，3D打印可降低产品全生命周期成本，拥有更短的供应链和交付周期，制造、测试与重新设计的成本大幅降低 [47] - NASA通过采用3D打印技术大幅降低了研发成本、周期及发动机成本，例如研发成本从10-40亿美元降至预计5000万美元，研发周期从7-10年缩短至2-4年，发动机成本从2000-5000万美元降至100-500万美元 [50][52] - 减重优势：在航空航天领域，轻量化是终极目标之一，3D打印可通过中空夹层/薄壁加筋结构、镂空点阵结构、一体化结构、异形拓扑优化等方式实现轻量化 [52] - 以波音737为例，机身每减轻一磅质量每年将节省数十万美元的燃油成本 [52] - 散热集成：3D打印让结构与散热功能集成、随形水冷等设计更容易实现，满足航天器高功率器件要求 [57] - 例如深蓝航天液氧煤油发动机大量采用3D打印工艺，实现了推力室效率从95%到99%的技术跨越 [57] - 材料发展：航空航天高性能构件多用于极端环境，需具有超强承载、极端耐热、超轻量化和高可靠性等特点，钛合金、镍基高温合金应用广泛 [63][64] - 3D打印高温合金具有独特的跨层级细微观结构，其室温强度和塑性介于铸件和锻件之间 [68][70] - 目前针对激光3D打印高温合金的制造工艺、服役温度、后处理等已有相对成熟研究，其力学性能介于铸件和锻件之间，蠕变性能可达锻件水平 [71] - 除金属外，高性能复合材料如连续纤维增强聚合物复合材料也可通过3D打印工艺加工，适用于航天领域 [72] 火箭领域的3D打印应用 - 火箭推力室是火箭发动机中最复杂、制造难度最大、周期最长的部件，业内对3D打印的研究与应用最深入，主要采用粉末床熔融+定向能量沉积技术配套打印 [79] - 喷注器：传统方式制造的喷注器零件数量多，制造成本高，周期长，3D打印可大幅减少零件数量 [83] - 例如，基于3D打印的HAN基单组元发动机喷注器零件数量由27个集成为1个，减少了焊缝结构 [84] - LEAP 71与尼康SLM Solutions合作生产出直径达600毫米的全流量分级燃烧火箭发动机喷注头，是目前最大、最复杂的3D打印航天器部件之一 [87] - 喷管和燃烧室：传统再生冷却喷管制造过程复杂，3D打印可大幅简化，NASA从2013年开始研究3D打印再生冷却喷管 [88] - NASA通过3D打印燃烧室实现了超过50%的制造周期缩短和25%的成本下降 [93] - 深蓝航天推力室主体结构全部采用3D打印，将研制周期缩短了80%以上，并实现了推力室效率从95%到99%的跨越 [94] - 燃烧室、喷管常需多材料复合制造，定向能量沉积技术有更好应用前景，例如NASA采用铜合金和镍合金双材料复合 [97] - 涡轮泵：涡轮泵面临高转速、高流体压力及高温度梯度等极端工况，是发动机最易发生故障的部件之一 [106] - NASA采用增材制造技术制造上面级氢泵和甲烷涡轮泵，其中甲烷涡轮泵零件数量减少45% [109] - 首款增材制造的涡轮泵零件数量至少减少50%，增材制造件占总质量的90%，进度缩短45%，硬件成本为30万美元 [112] - 涡轮泵的诱导轮、泵叶轮、涡轮盘均可通过3D打印技术制造 [113] 国内外航天企业3D打印布局 - NASA：自2012年启动AMDE增材制造验证机计划，全面拥抱3D打印技术，多个中心涉及相关研发 [117][119] - 马歇尔航天飞行中心已形成同时包含SLA、FDM、SLM、DED技术的成熟应用 [121] - NASA针对不同应用场景开发了配套的3D打印技术，并尝试多种新型合金以提升性能 [124][129] - 采用GRX-810合金的喷管累计完成90次启动，总运行时长达2309秒，喷注器寿命相比传统合金显著提升 [129] - NASA积累了共计11万秒的3D打印燃烧室、喷管、喷注器热试车时间，技术积累成熟度高 [133] - SpaceX：猛禽3发动机通过3D打印技术实现更精简、集成化设计，简化了结构，无需使用隔热罩 [134] - 2024年9月，Velo3D与SpaceX签署总价值800万美元的技术授权与支持协议，SpaceX获得其增材制造技术授权 [138] - 国内企业：国内航天领域已实现较多3D打印应用成果，多个3D打印关节零部件已完成热试车验证 [140] - 深蓝航天雷霆R/雷霆RS发动机均采用3D打印技术，大幅降低了零件数量 [143] - 蓝箭航天与铂力特合作，其天鹊系列液氧甲烷发动机大量采用增材制造技术，TQ-12B发动机推重比达到162 [147] - 蓝箭在涡轮泵壳体、换热器、喷管、燃烧室等部件均应用了3D打印技术 [147] - 天兵科技TH-11V为全球首款应用3D打印技术的闭式循环补燃发动机，相比传统工艺，发动机组数量减少80%，制造周期缩短70%-80%，成本和重量降低40%-50% [152] - TH-12发动机采用了国内首次应用的超大尺寸推力室不锈钢3D打印制造技术和涡轮盘热力组件3D打印技术 [152] - 国内火箭3D打印目前主要覆盖发动机内部分零部件，不同技术路线和材料的尝试较国外少，对标NASA、SpaceX，渗透率还有较大提升空间 [157] 卫星领域的3D打印应用 - 卫星一般由机械结构、推进子系统、热控制子系统、电源子系统等多个子系统构成 [158] - 得益于进入外太空成本降低，小卫星正快速发展，是一箭多星发射的最佳载体，设计向小型化、微型化、高集成度、高性能和低成本发展 [161] - 全球小卫星发射数量快速增长，2019年至2023年合计发射8409颗，其中美国发射6545颗，占比77.83%，中国发射479颗，占比5.70% [162] - 传统百公斤级小卫星的结构质量占比约为20%，需探索新工艺将占比降至15%以下 [164] - 3D打印技术可通过释放结构设计潜能实现卫星极致轻量化，同时缩短研制和定制化周期，应用前景好 [164]