超越世界的技术：3D打印在航空航天行业中的作用

来源：孜然实验室

3D打印正在改变全球几乎每个行业，它改变我们设计和生产服装的方式，它改变汽车的制造和交付方式，甚至进入了我们的厨房。您可能在办公桌上有一台3D打印机。

增材制造业务以每年约24％的速度增长，全球3D打印市场预计将达到约210亿美元。3D打印的需求正以惊人的速度增长，这是由不断扩大的新一轮创业浪潮以及更有效的3D打印材料、设备和技术带动的。

我们很高兴看到行业内有如此众多的公司采用增材制造。其中一个行业可能会从3D制造业中受益，从而帮助人们从一个国家到另一个国家，到月球以及甚至更远的地方。您可能猜到了，这就是航空业。

超越

图片：NASA

早在1989年，随着新兴技术的采用，航空航天业就开始从3D打印中受益。在随后的几十年中，这种技术不断发展。航空航天业中的3D打印可能不如鞋类或汽车制造业那样引人注目，但是新兴技术带来的变化最终可以帮助我们的物种殖民新行星。

像许多其他行业一样，3D打印之所以吸引人，是因为它允许公司快速制作想法原型，或以比标准制造方法少得多的成本和更少的时间创建功能完备的零件。定制3D打印将使工程师能够按需打印零件，以满足可能的设计挑战或维修工作。简而言之，曾经复杂昂贵的零件将比以往任何时候都更轻、更可靠、更快，这对于航空业来说是一个很好的机会。

航空业增材制造在2015年占3D打印总收入的16％，被用于帮助民用飞机、新型航天器甚至卫星生产。今天，我们将探索增材制造对航空航天业产生影响的一些最令人振奋的方式。

3D打印火箭将人类带入火星

图片：NASA

如果您确实拥有一台3D打印机，那么您可能已经花费了许多小时进行3D打印各种小物体，甚至是火箭吗？您的标准3D打印机使用一种热塑性材料，该材料在与打印机喷嘴接触时会熔化，在碰到打印表面时会立即冷却凝固。但是，您可能不知道可3D打印也可以打印各种材料，包括金属。多年来，金属的增材制造技术已经非常成熟。昂贵的金属零件和组件的生产对NASA以及诸如SpaceX或Virgin Orbit这样的私人组织的太空计划非常有吸引力。

实际上，NASA和Virgin Orbit已经开始测试3D打印火箭燃烧室。Virgin Orbit利用其资源向发射通常携带小型卫星进入太空的火箭。最近，Virgin Orbit邀请NASA的专家来创建3D打印燃烧室，这是一种“结合多种材料并利用尖端技术的制造工艺”。燃烧室被视为火箭发动机的心脏，燃料在这里与氧化剂混合并爆炸。

Virgin Orbit使用一种铜合金制作了火箭燃烧室。他们使用了高压液氧/煤油作为推进剂，燃烧室在24次，60秒的测试点火中成功获得了超过2000磅的推力。

NASA高级工程师保罗·格雷德（Paul Gradl）对该项目感到兴奋，他说：“传统上，制造、测试和交付常规燃烧室需要花费数月的时间。我们可以大大减少这一时间。”

“增材制造旨在扩展和增强传统工艺。它意味着新的设计和更好的性能，并生产出了高度耐用的硬件。通过这种合作关系，我们正在进一步提高这种能力。”

在不久的将来，通过增材制造工艺生产的发动机可以带我们进入火星。

商用飞机开始使用3D打印零件

显然，没有人会使用桌面3D打印机打印零件并将它们放在飞机上以节省资金。尽管如此，工业高端3D制造零件已经进入了一些商用飞机，这是有充分的理由的。根据一些研究，可使用3D打印将某些飞机部件的重量减轻40-60％之多。这仅仅是开始，数据表明，使用3D打印设计和制造的单个组件可将空气阻力降低2.1％，从而将燃料成本降低5.41％。空中客车已经在其A350 XWB飞机上安装了1000多种3D打印零件。

增材制造使波音和空中客车等公司能够加快生产速度。该行业最大的挑战之一是满足所有商用飞机订单，两家公司都积压了5000-8000架飞机订单。预计未来几年需求还会增加，增材制造可能会成为大杀器。据估计，到目前为止，波音公司已经为飞机使用了60000个3D打印零件。

3D打印的无人机和卫星

图片：Stratodyne LLC

卫星可能会很昂贵。但是，您可能已经猜到了，增材制造可以解决这个问题。空中客车公司国防与太空部门的工程师使用3D打印技术创建了一个钛金属框架，该框架能够承受-170℃至100℃的温度范围。多亏了增材制造的力量，与以前的卫星迭代相比，该团队能够将生产成本降低多达20％，从而创造出了更轻巧且几何优化的产品。

初创公司Stratodyne LLC也在航空航天业中掀起了波澜。团队利用其快速原型制作方法来制造定制的平流层卫星，这些卫星可以在短短几个小时内部署到目标位置附近。卫星可以提供从资产监控到科学测量的所有内容。这些廉价，可持续的卫星替代方法甚至可以用于电信、遥感或地理空间数据收集。

图片：Stratodyne

正如Statodyne团队所述，“与常规卫星需要数月的测试、数百万美元和数周的时间才能在所需的轨道位置上运行不同，我们的卫星可以在不到一天的时间内进行部署，而成本却很小。”

“常规卫星在死亡后会成为危险的太空垃圾，在发射期间会释放数百吨温室气体，但我们的StratoSats可以返回地面并重新发射以执行新的任务，在我们的星球上或其他地方几乎没有留下足迹。”

最后，Stratodyne目前正在开发能够延长飞行时间的近太空无人机，以作为卫星的廉价替代品。

3D打印将使前往深空的旅程更加容易

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计划一个一星期的假日旅行要消耗不少精力。想象一下，为未知领域的旅行计划后勤工作，在这个过程中，旅行本身将花费6-8个月。对于那些试图将我们送往火星的组织来说，这是当前的现实。根据NASA的说法，为居住在距地球仅约400公里的国际空间站上的宇航员的生活，每年需要向国际空间站提供3175千克的备件，13154千克的航天硬件备件，以及准备好额外17690千克的备件。

国际空间站离地球很近，这一切都是相对容易的。但是，这在登上月球和火星时变得不切实际。另外，如果您将足够的物资装进大型航天器，那将是非常昂贵的，而且效率很低。然而，这正是3D打印可以拯救的地方。

NASA马歇尔太空飞行中心的太空制造部门（ISM）目前正在研究3D打印技术可以减轻太空任务的方式。ISM合作伙伴已经开发了熔丝制造3D技术。该过程涉及将连续的塑料线通过加热的挤出机进料，并逐层叠加到托盘上以产生三维物体。当前，有研究正在探索太空中最有效的3D打印方法，从而使宇航员可以打印简单的日常工具。

在一个示例中，地面的研究人员能够向国际空间站上的宇航员发送扳手的3D设计。ISM的其他研究包括正在探索在太空中打印更耐用的材料的可能性。最终的目标是什么？想象一下，能够完全打印功能性3D零件，而无需等待地球上的补给。

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“最终，ISM对于未来的太空探索任务至关重要。在空间站上测试这些制造系统将为使这些任务更独立于地球铺平道路。它启动了低地球轨道的商业化开发，同时减轻了地面的库存压力。” NASA

最后，研究人员目前正在研究在太空中打印食物的方法。太空食物最终应该是最美味的食物。以3D打印行业目前的创新速度，宇航员可能很快将不仅能够打印各种食品，而且能够打印满足个人口味的菜肴。

走向未来

航空航天业的增材制造令人兴奋。从关键零件的原型制作到功能齐全的零件的整体生产，它改变了整个行业的面貌。增材制造还有助于提高生产速度和可靠性，同时降低生产成本。

3D打印技术可以应用于未来太空旅行的所有潜在方式，令全世界太空机构的人们感到兴奋。在不久的将来，3D打印可能在建立火星上的长期殖民地方面发挥至关重要的作用。通过将人工智能和机器人技术相结合，增材制造可以在创造长期文明中发挥关键作用。