3D打印卫星越来越火，生产更快、成本大降

南极熊导读：随着增材制造技术的进步，卫星上的3D打印部件的数量正在增加。卫星工厂正在接受这项技术，以降低成本，加快生产功能越来越强大的航天器。这些进展正在为卫星能够在轨道上打印零件的未来铺平道路，但离3D打印整个卫星还有多远呢？

这是一个棘手的问题，尤其是因为卫星上的零件数量因大小和复杂性而有很大不同，从简单的基础结构到复杂的半导体。

△3D打印使多个波导合并成一个单元，便于系统集成并优化了重量。资料来源：Swissto12

增材制造专家Swissto12公司的首席执行官Emile de Rijk说："立方体卫星的部件数量可能是几百个，而大型卫星的部件数量可能是几万个到几十万个，如刚刚发射的价值100亿美元的詹姆斯-韦伯太空望远镜。但就在五年前，3D打印结构的使用在很大程度上是实验性的，只有极少数的部件在特殊飞行测试任务中才会应用。"

△由SWISSto12 3D打印的航空航天零件。图片来自SWISSto12

但是现在，几乎所有建造的卫星都多多少少会有一些3D打印部件，尽管大多数仍然是相对简单的机械支架系统，用于保持航天器的结构。

△2018年发射的Hispasat 30W-6卫星的天线塔由200多个增材制造部件组成。资料来源：Maxar Technologies

对于Maxar Technologies来说，增材制造部件已经成为建造的所有卫星的标准，在2020年约占典型航天器中部件的三分之一。

Maxar在卫星上使用的第一个3D打印金属部件是由钛合金制成的，于2016年在JCSAT-15上发射，这是一颗为日本Sky Perfect JSAT建造的通信卫星。从那时起，Maxar已经在发射的20多颗卫星上使用了用铝、钛和塑料制成的增材制造的部件。据估计，该公司目前总共有5800个在轨部件。

Maxar公司负责太空的高级副总裁Chris Johnson说："Maxar公司使用3D打印技术进行太空制造，因为它能提高进度的灵活性，降低成本并提高性能。制造3D打印的部件需要更少的人和更便宜的材料，这些部件通常有多种用途，减少了质量、硬件数量和整体部件的复杂性。"

△带有 3D 打印部件的 SES-15 卫星。图片来自波音

波音防务、空间与安全公司负责增材制造的首席工程师Rich Aston说，他的公司已经将增材制造技术应用于航天器和运载火箭领域，包括高性能热交换器、机制、结构和无源微波装置。

Aston说：“3D打印正在帮助波音公司从技术角度突破可能的界限，创造新的设计，快速制作原型，进行测试，并在有意义的地方部署新技术。"

波音公司正在寻求发展这种新型制造能力，特别是为专注于小型卫星市场的MillenniumSpace Systems子公司，事实证明3D打印特别适合于比以往更快地在轨道上部署系统。

对于小型卫星，阿斯顿说，已经 "证明3D打印的总线提供了更快的生产周期，并且比传统总线结构的成本低30%"。

3D打印卫星的新阶段

De Rijk说，从制造机械支架等简单结构到3D打印热管理、射频（RF）和卫星上其他更复杂的部件，有"相当大的一步"。

例如，半导体行业在过去40年里投资了数千亿美元，以使支撑现代技术的日益强大的芯片小型化。

Swissto12公司首席增长官PeterGuggenbach指出，尖端的半导体工厂现在可以通过光刻工艺生产5纳米精度的芯片，而3D打印则是在另一个完全不同的领域中运作。

△SWISSto12 之前已经交付的3D 打印波导信号互连器件。图片来自 SWISSto12

Guggenbach说，使用选择性激光熔化技术的先进3D打印机器精度范围在50微米内，要比最好的芯片制造商的精度低4个数量级。

Northern Sky Research公司的分析师Dallas Kasaboski表示，缺乏卫星标准化也是提供3D打印所提供的规模经济优势的一个障碍。Kasaboski通过电子邮件说："就目前而言，这主要是小型卫星的趋势，大型卫星有不同的要求，而且它不像3D打印火箭发动机。火箭发动机的制造需要严格按照标准，而卫星还没有达到标准化的水平，可以从中大大受益。然而，工作正在继续，以简化制造过程，所以随着我们的发展，有可能更多的硬件将成为3D打印的。

应用障碍

即使对小型卫星制造商来说，用3D打印机生产零件也需要人类操作员的大量干预，可能会增加成本而不是节省成本。

小型卫星专家Nano Avionics公司公司席技术官Ernestas Kalabuckas声称，他们主要将3D打印用于测试和原型制作。尽管该公司的传统卫星总线的某些部分是3D打印的，但它们只是占整个架构的一小部分。

Kalabuckas说：最大的障碍是成本，因为尽管有所改进，但除非大规模进行，否则3D打印金属部件的成本太高。为了实现这一点，我们将着眼于更大的星座，每个星座至少有一百颗卫星，有许多相同的部件，而且卫星设计/架构已经为3D打印进行了优化。“

卫星行业以前沿用下来的部件标准构成了另一个主要障碍，因为改用增材制造将需要重新设计空间合格的部件，然后在轨道上测试，最后再投入广泛使用。这其中所涉及的风险、时间和成本根本无法证明快速转换到3D打印的合理性。然而，虽然它暂时对卫星制造来说不是一个巨大的成本节约，但Nano Avionics公司正在探索这个领域，寻求它在未来5-10年的时间内发生变化。

△一个3D打印的全金属贴片天线。资料来源：Swissto12

挑战“全3D打印卫星”极限

Swissto12公司2021年帮助澳大利亚初创公司舰队空间（Fleet Space Technologies）交付了他们的第一个用于小型卫星的金属3D打印贴片天线。

半人马座4号（Centauri 4）是Fleet Space公司在6月发射到低地球轨道后的第六颗也是最新的卫星，它有四根这样的天线。据舰队空间公司声称，利用卫星可以连接地面网络无法到达的地区的设备，3D打印的天线使其每公斤的航天器能够获得10倍以上的覆盖率。

△3D打印的阿尔法小卫星。照片来自舰队空间

12月，在B轮投资中筹集了超过2600万美元后不久，这家创业公司宣布了第二代星座的计划，它说这将包括完全通过3D打印创造的第一批卫星。

这个升级的星座中的第一批小卫星被称为Alpha，计划在12个月内准备好发射，加入目前在轨的6颗半人马座立方体卫星。

舰队太空公司联合创始人兼首席执行官弗拉维亚-塔塔-纳尔迪尼在一份声明中说："阿尔法代表了向前迈出的一大步，也是第一次完全通过3D打印技术制造卫星。“但考虑到3D打印目前的制作水平，该计划在太空行业引起了怀疑。

Swissto12公司的Guggenbach说："在未来的几年里，强大的半导体不太可能被3D打印出来，所以卫星总是有非3D打印的部分。

然而，在南澳大利亚地方政府约1400万美元的投资下，舰队太空公司表示，它将在阿德莱德创建该国第一个专门的太空制造中心，以完成这一壮举。

Nardini声称，这个工厂将包括几台价值数百万美元的3D打印机器，以帮助实现他们发射星座卫星的雄心。她说：“我们开始专注于射频元件（天线等），这些元件的3D打印实际上比其他任何东西都要更复杂（几何形状非常复杂），我们现在已经获得了专利。然后我们已经转向结构、双工器，现在我们正在转向整个电子元件。"

她还表示，阿尔法卫星中计划的半导体没有那么复杂，就像目前更广泛的市场上最微小的芯片一样，但事实上她们也正在为未来计划一些更强大的芯片。

根据舰队空间公司12月3日的公告，每颗阿尔法卫星将有多达64根3D打印的天线，它说这使得它能够提供比最近的半人马座卫星高出16倍的性能，而重量只有4倍。

未来之路依旧艰难

要完整地3D打印高性能卫星，必须清除的技术障碍是相当大的，可能需要新的增材制造工艺。

Northern Skies Research的Kasaboski将目前的工业3D打印比作20世纪90年代的打印机，一次只能打印一行文字。

他说："或者，用另一个比喻来说，就像在蛋糕上加一层糖霜。材料在打印机中被处理，并以条状来回铺设，一遍又一遍。其他方法也存在，但它们相当于一个类似的结论。所以，你可以打印结构，独特的形状，制作模具和模型，但你一般不能打印工作的材料。如果你使用特殊的材料，你可以打印一些导电或导磁的东西或其他东西，但这与打印一个工作的光伏电池相差甚远。"

然而，有朝一日能够自主地在轨道上建造卫星的诱惑力可能会继续吸引那些希望突破可能极限的人的投资。

在地球上，由于重力作用，制造商可以将材料层层叠加实现成型。在太空中，一颗卫星有可能由内向外建造，最初的几滴材料在最中心，在旋转时向外扩展。

卡萨博斯基补充说："从理论上讲，这可能非常有趣，但就应用而言，这里还没有许多令人信服的用例。另外，这项技术在地面上还没有完全标准化/得到证实，更不用说在轨道上了。"

编译自：Space News

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