3D打印技术让卫星更有“内涵”

  ◎本报记者 金 凤

  在“斤斤计较，克克黄金”的航天领域，3D打印技术的应用，让卫星“瘦身”的同时，“内涵”更加丰富。12月3日，在南京举行的第二届增材制造研究前沿国际会议中，科技日报记者了解到，南京理工大学已在10多颗已经发射的微纳卫星中，应用了3D打印技术。

  增材制造俗称3D打印，是以数字模型为基础，将材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术，是先进制造业的重要组成部分。

  “你们看这个微纳卫星模型，就是用3D打印的，这么大的卫星一般用于空间科学实验验证。”南京理工大学机械工程学院副院长刘婷婷说。她手握着一颗10立方厘米卫星模型，在这个立方体模型中，各个不同功能的元器件像被镶嵌在结构中。

  “卫星中的结构材料是没有功能的，类似于电视机壳，它只是将各个元器件组装起来。卫星的重量每增加一点，它的费用就会提高很多。如果结构材料能轻一些，一来可以降低成本，为批量化生产卫星提供基础，二来可以搭载更多的卫星载荷，进行更多的空间试验。”刘婷婷介绍，传统的卫星制造模式，是卫星内部各个模块分离制造，再装配集成。但她所在的团队提出将微纳卫星的导电线路内生成型于结构体内部，再嵌入一些功能载荷，这就将卫星的电路、元器件和功能材料融为一体，可以进行“结构—电路—器件”一体化3D打印制造。

  “一体化3D打印技术的拓扑设计、晶格设计等轻量化设计技术，可以在卫星内部结构上重新布局，从而可以实现卫星轻量化。”刘婷婷告诉记者，用3D打印出一体化研制的微纳卫星，体积可减少30%以上，功能密度提升30%以上。

  刘婷婷表示，未来的卫星，我们会用多机器人来打印，一个机器人打印电路，一个机器人打印结构，一个机器人嵌入器件，最终一体化制造出来。原来的卫星结构占比大约15%—20%，甚至25%，未来有望降到10%以下，甚至更低。

  让卫星“瘦身”有多难？刘婷婷透露，首先要给卫星的复杂结构减重，“但减重的同时，卫星还要能达到一定的抗冲击能力，因为火箭在发射过程中会有很大震动，对卫星器件和结构的冲击力是很强的，卫星要能承载巨大的冲击力，这对设计要求很高。”

  严峻的空间环境，也对卫星性能的稳定性提出挑战。“太空环境非常复杂，高温时可达零上100摄氏度，低温时低到零下100摄氏度。在这样的环境中，卫星的结构器件要能承受极端温度和空间辐射，这对3D打印材料的性能也提出很高要求。”刘婷婷说。