随着人类在地外空间探索的加深，行星际空间飞行也越来越接近现实，空间站也开始从观察者向着空间旅行中继站的角色转变。今年早些时候，NASA提出了太空自动制造和部件维修的需求，将用于整个太空、月球和火星飞行任务。ESA（欧洲航天局）也不甘落后，开启了名为Project IMPERIAL项目的开发计划，并在近期制造了一种用于空间站的FFF 3D打印机。

全新的3D打印机可在宇宙空间站运行

在ESA的初步MELT项目成功进行之后，该项目在微重力条件下测试了工业FFF 3D打印的可行性，随后推出了IMPERIAL项目。Project IMPERIAL的目标是更进一步，开发一个完整的太空制造系统，该系统可以克服当今3D打印机的尺寸限制。因此，该系统最终将用于按需制造和在国际空间站上进行维护，从而为未来的长期太空飞行提供了自给自足的空间。

ESA的高级制造工程师Advenit Makaya指出：“在人类探索的环境下（例如此处，然后在航天器的结构零件上）开发大型零件的地球外制造解决方案，对于增强可持续性和可靠性至关重要。未来太空飞行任务的强大能力。”

ESA在MELT计划下开发了具有微重力功能的3D打印系统

打印机本身必须遵守许多严格的技术要求。这包括能够打印诸如PEEK的高性能工程聚合物，能够在微重力条件下打印，同时保持类似地球的零件质量，并且能够在一个方向上打印无限长的大型零件。该系统的功耗也受到严格限制，并且由于空间中缺少后处理设施，因此必须准备好将功能性印刷零件直接从构建室中使用。

为了确保成功集成到ISS中，团队还被迫在设计3D打印机时要考虑到原材料的可用性。零件生产后剩余的任何废料至少应减至最少，并在可能的情况下完全可重复使用。

Project IMPERIAL 3D打印机用于生产1.5m长的钢筋

OHB项目经理Antonella Sgambati补充说：“已经证明，采用高性能聚合物的FFF不受重力降低的环境的影响，为新的挑战铺平了道路，例如可以在一个方向上打印无限长的长度或批量生产生产。在该项目的框架中，BEEVERYCREATIVE的原型开发和测试已经发现并弥补了新的技术差距，从而取得了这一独特的成就，使地球以外的制造工艺更加接近了。”

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增材制造太空望远镜组件样件。来源：ESA

 功能集成与减重

增材制造-3D打印望远镜项目由是由德国OHB系统牵头开发的，成员还包括荷兰TNO、荷兰空间科学研究所SRON、德国Fraunhofer 制造技术和先进材料研究所，Materialise 等机构。

传统设计的太空望远镜。来源：ESA

太空望远镜是一款高性能仪器，需要光学上极其精确地对准才能进行工作，识别大气中痕量气体的光谱指纹。

增材制造太空望远镜侧面图。来源：ESA

经过重新设计的太空望远镜有三个主要部分组成，包括望远镜的两个镜面，均用飞行级铝合金材料制造。望远镜的原始设计版本是美国国家航空航天局（NASA）EOS-Aura任务中使用的臭氧监测（OMI）望远镜，这款望远镜重量为2.8公斤，而重新设计的3D打印望远镜重量为0.76公斤，减轻了73％，而测量质量没有降低。

3D打印能够用来创建复杂的几何形状，望远镜的重新设计正是利用了3D打印的优势。相比原始设计，3D打印望远镜的零件功能得到了整合，例如在复杂内部结构中整合了多个挡板，以及能够固定两个反射镜的组件。正因为如此，望远镜制造中所需的装配工作减少了，同时还可以实现强大的顶级光学仪器的所有必要功能。

附着点。来源：ESA

在进行望远镜设计时，开发团队使用了拓扑优化设计技术将材料放置在负载所在的位置，并得到了一系列优化结果，例如在原始设计中望远镜的六个支撑腿需要6个附着点，但优化后仅需要4个附着点。

带增材制造组件的太空望远镜。来源：ESA

这是金属增材制造技术在复杂光学器械制造中的首次尝试，研究团队通过开发和制造高要求的高精度望远镜组件清晰的展示了金属3D打印技术在这个领域的优势。即使在包括热真空，正弦波以及随机振动和冲击测试在内的完整环境测试程序中，3D打印望远镜也完全符合相关的光学性能要求。

发射器或卫星支架等3D打印结构部件已经用于执行太空任务，3D打印望远镜项目的目标是制造要求更高的太空硬件，在技术上更加接近具有挑战性的太空飞行硬件制造的目标。

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PROBA-3 卫星的天线系统中包括一种3D打印铝合金螺旋式天线，该天线近日已由合同制造商完成交付，并通过了ESA PROBA-3卫星任务的飞行认可。

3D打印铝合金天线。来源：SENER Aeroespacial

 面向在轨应用

根据 的市场观察，PROBA-3 卫星的合同制造商SENER Aeroespacial与CATEC已完成了ESA PROBA-3卫星的遥测和遥控天线的交付，这组天线包括由SENER 通过金属3D打印技术制造的铝合金螺旋式天线。

SENER 已经为ESA的主要科学任务（例如BepiColombo，Solar Orbiter，Euclid和Juice）提供了多种高、中增益天线指向系统。作为开发这些系统的一部分，SENER 设计、验证和集成了关键的通信元件，其中最著名的是天线和集成在内部的旋转接头。

CATEC曾与空中客车（Airbus）合作为电信卫星的太阳能电池板开发钛合金支撑架，并为航空航天领域提供了上百种配件，托架，整流罩和其他应用行业。

SENER 与 CATEC共同开发了PROBA-3 天线系统中的3D打印铝合金螺旋式天线，该天线已经过严格的验证和资格测试，并获得了ESA PROBA-3卫星任务的飞行认可。

根据 SENER，3D打印铝合金螺旋式天线在实现功能的同时保持了射频和热机械性能。

  Reivew

通过增材制造-3D打印技术制造卫星天线部件已受到全球范围内航天大国的重视，其中典型的在轨应用包括3D打印天线支架。

ESA 的制造商之一Thales Alenia Space 已将粉末床选区激光熔化 3D打印技术投入到电信卫星组件的批量生产中， Thales Alenia Space 在这方面的新动态是生产全电动Spacebus Neo平台电信卫星中的组件，Spacebus Neo 将配备4个3D打印铝制反作用轮支架，以及16个天线展开和指向机构（ADPM）支架，其中包括4个铝合金支架和12个钛合金支架。

根据 市场研究，我国科研机构以及航空航天制造企业在铝合金卫星天线增材制造领域已取得了相关应用研究成果，例如清华大学针对面向低轨定位载荷的铝合金喇叭天线的增材制造方法开展了研究，包括天线脊和底部的网格化设计，天线谐振腔底部的开口设计，内脊底部的支柱设计，天线外脊的设计，以及激光成型与重熔工艺流程参数的设计，最后通过一种定制的3D打印流程克服铝合金难以打印的问题。通过增材制造工艺与设计方式实现的天线重量降低2/3，对于星载应用具有重要意义。

无论是已实现在轨应用的天线支架，还是铝合金3D打印天线，3D打印技术在这些卫星部件中的应用与其在实现卫星组件轻量化以及实现复杂结构制造方面的优势密切相关。 在《3D打印与工业制造》一书中提到，随着3D打印技术的应用，卫星轻量化已全面到来。通过3D打印技术实现卫星轻量化的途径包括制造传统技术无法实现的复杂点阵轻量化结构，以及制造功能集成一体化结构。

在点阵轻量化卫星结构的制造领域，我国走在了世界前列。2019年8月17日成功入轨的“千乘一号01星”卫星的主结构是目前国际首个基于3D打印点阵材料的整星结构，千乘一号小卫星结构由航天五院总体部机械系统事业部负责研制，整星增材制造工作委托西安铂力特增材技术股份有限公司完成。

千乘一号整星结构采用面向增材制造的轻量化三维点阵结构设计方法进行设计，整星结构通过铝合金增材制造技术一体化制备。传统微小卫星结构重量占比为20%左右，整星频率一般为70Hz左右。千乘一号微小卫星的整星结构重量占比降低至15%以内，整星频率提高至110Hz，整星结构零部件数量缩减为5件，设计及制备周期缩短至1个月。整星结构尺寸超过500mm×500mm×500mm包络尺寸，也是目前最大的增材制造一体成形卫星结构。

参考资料:

- 韩淋 ，中国科学院科技战略咨询研究院，《ESA拟于2020年发射可人工制造日食的Proba-3卫星》;

- 国防科技信息网，《ESA拟通过Proba-3任务验证精确编队飞行技术》;

- SENAR Aerospace.

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西门子端到端的解决方案。来源：西门子

 让3D打印变得不那么挑战

最近，ESA-欧洲航天局邀请西门子，以及航空航天结构专家Sonaca参与Design4AM项目，致力于通过综合性的增材制造软件来加速实现高度优化的航空航天结构件的设计与生产。

在Design4AM项目的框架内，将加强通过西门子数字创新平台，实现航空航天工业增材制造的产业化。基于西门子的NX™软件和Simcenter™软件，西门子和Sonaca将携手合作，通过Sonaca的航空航天结构设计和制造专业知识，增强西门子的端到端增材制造解决方案。

Design4AM项目可以产生经过验证的应用程序，用于设计和生产针对性能和成本进行优化的轻量化空间部件，这些应用程序将利用西门子针对工业增材制造的端到端软件解决方案，该解决方案结合了创成式设计，自动拓扑优化，仿真分析，流程模拟，构建准备和生产执行等全套的软件工具。

Design4AM项目为期两年，建立在西门子与Sonaca的强力合作基础上，得到了ESA和比利时联邦科学政策办公室（Belspo）的资金支持。通过3D打印-增材制造技术可用于实现发射器，推进器，卫星和各种航天器部件的复杂结构。Design4AM项目将能够帮助ESA-欧洲航天局利用增材制造技术实现能够承受太空卫星发射期间需要承受极端力学性能要求的高性能结构。

数字化与3D打印释放第四次工业革命潜力。来源：西门子

  Review

根据 的市场观察，一边是ESA紧锣密鼓的布局，一边是NASA于2019年7月初投资了700万美金委托卡耐基梅隆大学研究下一代飞机的制造技术，合作伙伴包括阿贡国家实验室，ANSYS，洛马，通快，GE, 普惠，诺思罗普·格鲁曼, 西门子等。该项目致力于通过3D打印来降低成本，大幅提升美国在航空航天业的制造能力。

根据 的市场观察，虽然ESA在3D打印的应用程度上颇有些被NASA倒逼的态势。然而ESA长袖善舞，调动资源，做全方位布局的能力不容小觑。

不仅仅与西门子合作端到端的解决方案，材料方面，欧洲空间局（ESA）正在联合ICT先进制造实验室开发有前途的材料。研究人员研究外来材料的微观结构或材料的焊接方式，并探索各种制造工艺的结合。

此外，2015年，欧洲航天局就和伯明翰大学合作研发了一整套增材技术解决方案。其中一项技术包括设计一个激光沉积设备的喷嘴及整合增材制造流程中的多个送丝系统。该技术提高了金属丝打印的能力，与金属粉末打印系统相比更具优势。使用金属丝作为打印材料，金属打印设备将具备制造多种不同合金样件的能力，增加了打印过程中材料的利用率， 还可以避免粉末溢出造成的污染、设备维护、安全等问题。

除了对软件、材料及打印工艺的重视与布局，ESA还很重视硬件设施的建设。2016年，ESA在英国基地牛津郡的哈威尔建立了一个新的先进制造实验室，在那里研究3D打印等先进制造技术用于空间探索的可能性。

ESA哈威尔的实验室配备先进的金属3D打印机、强大的显微镜套件、X射线CT机，以及一系列的热处理加热炉。这里研究人员很方便的进行先进的力学试验，包括拉伸、显微硬度测试。研究人员可以使用实验室和哈威尔校园的设施，如半导体洁净室、低温实验室、英国中央激光设施，ISIS中子源，和钻石光源等资源。

2017年，ESA与英国制造技术中心（MTC）合作，建立了一个“一站式”空间相关应用增材制造中心—ESA增材制造中心（AMBC），该新中心由MTC管理，使得ESA和其他空间探索公司能够探索某些项目的3D打印潜力。

ESA是NASA最大的竞争对手。而通过与企业、大学、科研机构的联合，ESA拥有了一系列的从共性基础研究到产品开发，再到前沿技术探索方面的优势。也使得ESA基于欧洲强大的科研力量，迅速积累自己的3D打印know how，并获取下一代航天器的制造实力。

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欧洲空间局（ESA）正在联合ICT先进制造实验室开发有前途的材料。在这里，研究人员可以研究外来材料的微观结构或材料的焊接方式。同时，除了3D打印工艺，该实验室正在探索各种制造工艺的结合。

实验室的设施也处在快速扩充中，平均每两个月有一台新机器，每六个月一个新技术，新的合金正在开发中。科研人员需要了解如何将材料的性能与加工过程进行结合，以最大可能的优化航天器性能。

关于3D打印用于空间探索，欧洲空间局可谓是长袖善舞，充分调动科研机构的资源。2015年，欧洲航天局就和伯明翰大学合作研发了一整套增材技术解决方案。其中一项技术包括设计一个激光沉积设备的喷嘴及整合增材制造流程中的多个送丝系统。该技术提高了金属丝打印的能力，与金属粉末打印系统相比更具优势。使用金属丝作为打印材料，金属打印设备将具备制造多种不同合金样件的能力，增加了打印过程中材料的利用率， 还可以避免粉末溢出造成的污染、设备维护、安全等问题。

此外，欧洲空间局还研发了与上述技术相关的一种简化的金属合金丝材制造工艺，其基本原理是当金属丝通过熔池时将其表面进行涂层。该工艺与以往方式相比成本可降低20%-50%，制造过程消耗的能源和需要的基础设施更少、质量更高。

在整套增材技术解决方案中，还包括一种新的金属打印过程的新热源。目前的金属增材制造系统多以激光或电子束为热源，而该方案中的热源则是由一组反射镜聚焦的非相干光束，光束来源是200W-1000W的灯泡。聚焦后的光束将会加热目标零部件中的局部区域。这技术可以替代目前的激光和电子束热源，并且成本更低。

还包括一个通过热等静压方法制造金属件的系统，该系统以特定几何形状的小型（以毫米、厘米计）金属单元的使用为基础。金属单元可以批量生产和自动处理。该技术的优点包括：制造的产品几乎不产生变形，与锻造、铸造、机加工相比，能够制造更加复杂的零部件；可以制造复合材料和功能梯度材料零部件；更节约材料和成本。

不仅仅基础研究，欧洲空间局又与英国喷气引擎公司合作设计Skylon有翼飞行器，其“军刀”引擎的一大亮点是3D打印的喷油器，该喷油器使得引擎在不到0.01秒中就可以得到急速降温。航天飞机可以像普通飞机一样起飞、飞行和着陆。

而2017年，欧洲空间局推出了一项新的3D打印CubeSat立体小卫星项目，材质为PEEK塑料。随着第一次测试运行正式进行，欧空局旨在使这些3D打印的微型卫星投入商业应用，并配有内部电气线路。而仪器、电路板和太阳能电池板只需要插入即可。

除了应用领域获得不断的突破。欧洲空间局还很重视硬件设施的建设。2016年，欧洲空间局在英国基地牛津郡的哈威尔建立了一个新的先进制造实验室，在那里研究3D打印等先进制造技术用于空间探索的可能性。

欧洲空间局哈威尔的实验室配备先进的金属3D打印机、强大的显微镜套件、X射线CT机，以及一系列的热处理加热炉。这里研究人员很方便的进行先进的力学试验，包括拉伸、显微硬度测试。研究人员可以使用实验室和哈威尔校园的设施，如半导体洁净室、低温实验室、英国中央激光设施，ISIS中子源，和钻石光源等资源。

不仅仅是自己的硬件设施，2017年，欧洲空间局与英国制造技术中心（MTC）合作，建立了一个“一站式”空间相关应用增材制造中心—ESA增材制造中心（AMBC），该新中心由MTC管理，使得ESA和其他空间探索公司能够探索某些项目的3D打印潜力。

英国国家增材制造中心坐落于英国考文垂市，MTC为3D打印提供指导和专业知识，并为ESA提供最先进的3D打印设备。AMBC主要用于原型和空间相关应用零件的评估。

欧洲空间局是美国宇航局（NASA）最大的竞争对手。而通过与大学、科研机构的联合，欧洲空间局拥有了一系列的从共性基础研究到产品开发，再到前沿技术探索方面的优势。也使得欧洲空间局基于欧洲强大的科研力量，迅速积累自己的3D打印know how，并获取下一代航天器的制造实力。

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英国国家增材制造中心坐落于英国考文垂市，MTC将为3D打印提供指导和专业知识，并将为ESA提供最先进的3D打印设备。新的AMBC将主要用于原型和空间相关应用零件的评估。

正如我们近年来所看到的那样，欧洲航天局已经采取了行动来推动3D打印技术的发展，已经开始与MTC的合作，以便最大化并优化相关行业。

“欧空局的技术，工程和质量部门呼吁制定详细的利用3D打印到太空行业的路线图”，欧空局机械部主管Torben Henriksen表示： “我们一直被引导设立这个中心，客户和工业合作伙伴质疑我们第一次尝试3D打印的结果，而我们将用实际行动来证明3D打印的巨大能力”。

与其通过设立自己的3D打印研究中心与3D打印行业竞争，ESA选择与MTC合作。与此同时，MTC认为，它可以为空间探索行业提供进一步采用和探索3D打印技术所需的指导。比如其第一项计划就是以铜为材料3D打印用于小型发射器Vega的小比例验证推力室。如果初始测试顺利进行，他们便会继续打印用于条件测试的全尺寸模型。

“我们的目标是增强Vega的竞争力、灵活性，同时降低其重复成本”，ESA的Vega项目负责人

Giorgio Tumino表示：“我们正在与AMBC合作研究利用3D打印技术制造Vega的火箭发动机推进室。从而简化其生产工艺，并降低生产成本”。

一般来说，AMBC将配备各种各样的增材制造机器、材料、后处理系统，这将使得各种零件可以进行原型设计和测试，以适用于各种应用。AM技术的范围还将为欧空局确定哪种3D打印材料和3D打印工艺最适合给定零件。

所有AMBC的3D打印件的测试结果将在Europe-wide新闻简报中公开，该中心希望能够在整个欧洲大陆传播其研究和项目，并巩固欧洲3D打印的领导地位。

来源：3D虎

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欧洲空间局又与英国喷气引擎公司合作设计Skylon有翼飞行器，其“军刀”引擎的一大亮点是3D打印的喷油器，该喷油器使得引擎在不到0.01秒中就可以得到急速降温。航天飞机可以像普通飞机一样起飞、飞行和着陆。

现在，欧洲空间局在英国基地牛津郡的哈威尔建立了一个新的先进制造实验室，在那里将研究3D打印等先进制造技术用于空间探索的可能性。 

来源：3ders

金属3D打印机在航空航天业的特殊优势是创造轻量化、复杂的零件。近年来，在航空领域，波音公司、空中客车公司和其他公司开发了一系列3D打印组件用于飞机的制造。而空中客车公司甚至预测，未来飞机上一半的零件将是3D打印的。
航天领域对3D打印的重视一点都不逊色于航空领域，欧洲空间局的先进制造实验室还将利用相邻的欧洲空间局哈威尔校园的设施。实验室配有许多与激发生产潜力相关的新兴技术，用于制造更轻、更便宜的航天器结构件，并且通过评估候选材料和制造工艺用于更广阔的太空探索任务，这些研究结果将有助于指导欧洲空间局如何集中未来技术的投资。

 来源：3ders

欧洲空间局的实验室配备先进的金属3D打印机、强大的显微镜套件、X射线CT机，以及一系列的热处理加热炉。这里研究人员将很方便的进行先进的力学试验，包括拉伸、显微硬度测试。研究人员可以使用实验室和哈威尔校园的设施，如半导体洁净室、低温实验室、英国中央激光设施，ISIS中子源，和钻石光源等资源。

来源：3ders

关于3D打印技术的研究将是实验室的一个关键领域，欧洲空间局工作人员将研究整个加工过程中的物理过程参数，以及所使用的粉末材料特性，用来评估3D打印工艺是如何对产品质量的产生影响的。在进一步提高其3D打印的专业知识后，欧洲空间局将提高3D打印的综合应用实力，包括打印空间天线这方面的能力，并将提升在月球上3D打印“广寒宫村”的能力。

欧洲空间局利用月壤作为3D打印材料创建“广寒宫村”的计划正在进行中。利用其D型3D打印机欧洲空间局已经创建了一系列的“广寒宫村”原型。而欧洲空间局认为在月亮上打印村庄将是一个热身项目，他们期待将此类技术过度到未来可以在火星上建立一个类似的栖息地。

欧洲空间局是美国宇航局（NASA）最大的竞争对手，虽然3D打印将占用先进的制造实验室很大一部分的时间和资源。其他技术也将在这里被探索，包括欧洲航天局的科学家使用科学技术设施理事会的ISIS脉冲散裂中子源，来研究用在航天器推进剂贮箱焊接钛的摩擦搅拌结构完整性。使用中子源，科学家还可以通过中子衍射技术对散装材料进行残余应力测量。

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