3D列印技術讓衛星更有“內涵”

在“斤斤計較，克克黃金”的航太領域，3D列印技術的應用，讓衛星“瘦身”的同時，“內涵”更加豐富。12月3日，在南京舉行的第二屆增材製造研究前沿國際會議中，科技日報記者了解到，南京理工大學已在10多顆已經發射的微納衛星中，應用了3D列印技術。

增材製造俗稱3D列印，是以數字模型為基礎，將材料逐層堆積製造出實體物品的新興製造技術，是先進製造業的重要組成部分。

“你們看這個微納衛星模型，就是用3D列印的，這麼大的衛星一般用於空間科學實驗驗證。”南京理工大學機械工程學院副院長劉婷婷説。她手握著一顆10立方釐米衛星模型，在這個立方體模型中，各個不同功能的元器件像被鑲嵌在結構中。

“衛星中的結構材料是沒有功能的，類似于電視機殼，它只是將各個元器件組裝起來。衛星的重量每增加一點，它的費用就會提高很多。如果結構材料能輕一些，一來可以降低成本，為批量化生産衛星提供基礎，二來可以搭載更多的衛星載荷，進行更多的空間試驗。”劉婷婷介紹，傳統的衛星製造模式，是衛星內部各個模組分離製造，再裝配整合。但她所在的團隊提出將微納衛星的導電線路內生成型于結構體內部，再嵌入一些功能載荷，這就將衛星的電路、元器件和功能材料融為一體，可以進行“結構—電路—器件”一體化3D列印製造。

“一體化3D列印技術的拓撲設計、晶格設計等輕量化設計技術，可以在衛星內部結構上重新佈局，從而可以實現衛星輕量化。”劉婷婷告訴記者，用3D列印出一體化研製的微納衛星，體積可減少30%以上，功能密度提升30%以上。

劉婷婷表示，未來的衛星，我們會用多機器人來列印，一個機器人列印電路，一個機器人列印結構，一個機器人嵌入器件，最終一體化製造出來。原來的衛星結構佔比大約15%—20%，甚至25%，未來有望降到10%以下，甚至更低。

讓衛星“瘦身”有多難？劉婷婷透露，首先要給衛星的複雜結構減重，“但減重的同時，衛星還要能達到一定的抗衝擊能力，因為火箭在發射過程中會有很大震動，對衛星器件和結構的衝擊力是很強的，衛星要能承載巨大的衝擊力，這對設計要求很高。”

嚴峻的空間環境，也對衛星性能的穩定性提出挑戰。“太空環境非常複雜，高溫時可達零上100攝氏度，低溫時低到零下100攝氏度。在這樣的環境中，衛星的結構器件要能承受極端溫度和空間輻射，這對3D列印材料的性能也提出很高要求。”劉婷婷説。