航空和航天工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，歐洲最先進(jìn)、最全面的宇航公司泰雷茲阿萊尼亞宇航公司（Thales Alenia Space）和法國(guó)3D 打印服務(wù)公司Poly-Shape SAS達(dá)成合作伙伴關(guān)系，為韓國(guó)的新通信衛(wèi)星Koreasat-5A和Koreasat-7提供增材制造部件，從而也再次證實(shí)了3D金屬打印技術(shù)是數(shù)字化制造方式的創(chuàng)新推動(dòng)者和先驅(qū)者地位。據(jù)了解，Koreasat-7將于2017 年升空進(jìn)入東116o的太空軌道位置，覆蓋韓國(guó)、菲律賓、印度尼西亞和印度地區(qū)；Koreasat-5A也將于2017年第二個(gè)季度發(fā)射升空，并進(jìn)入東113°的太空軌道位置，覆蓋韓國(guó)、日本、中南半島和中東地區(qū)。這兩顆衛(wèi)星上的超大部件將由Thales Alenia Space和Poly-Shape合作制造完成。

　　據(jù)介紹，Koreasat-5A 和Koreasat-7 的天線支架將成為迄今為止，歐洲采用基于粉末床的金屬激光熔融技術(shù)制造并送入太空軌道的最大體積零件。其尺寸為447 x 204.5 x 391mm3 ，重量卻只有1.13kg，可以稱得上是真正的輕量化部件。但對(duì)于Thales Alenia Space來(lái)說(shuō)，真正的挑戰(zhàn)還是來(lái)自于部件的尺寸。該部件屬于超大型的工程部件，由法國(guó)Poly-Shape SAS采用增材制造而成，將安裝在Koreasat-5A和Koreasat-7中，作為天線的基座支架，用于與地面基地進(jìn)行通信。Poly-Shape SAS公司作為3D打印的專家，在航空和航天工業(yè)的原型制作、3D金屬打印和組裝方面都是享有盛譽(yù)的合作伙伴。

　　輕量化結(jié)構(gòu)和成本縮減是主要優(yōu)勢(shì)

　　鋁 (Al) 在重量和導(dǎo)熱性上具有優(yōu)勢(shì)，是衛(wèi)星上最常用的金屬材料，因?yàn)樾l(wèi)星需要送入太空軌道的重量越輕越好。據(jù)Thales Alenia Space 增材制造負(fù)責(zé)人Florence Montredon介紹：“根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，把 1kg 重量送入太空軌道的實(shí)際成本大約是20，000歐元，因此每一克都要精打細(xì)算。Koreasat-5A和 Koreasat-7這兩顆新衛(wèi)星的起飛重量都在3，500kg左右?！倍霾闹圃旒夹g(shù)在輕量化結(jié)構(gòu)方面具有巨大的潛力。

　　太空應(yīng)用要求所使用的材料具有很高的強(qiáng)度、剛度和耐腐蝕性，因此Thales Alenia Space為該增材制造部件選用了AISi7Mg合金。且在部件的驗(yàn)證過(guò)程中，該增材制造成品部件表現(xiàn)出了<1 % 的低孔隙率，并最終成功通過(guò)了Thales Alenia Space公司的動(dòng)態(tài)測(cè)試。Florence Montredon表示：“增材制造的效果很顯著：與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，仿生的增材制造結(jié)構(gòu)重量減輕了22%。更重要的是，生產(chǎn)效率極大提高的同時(shí)，成本還下降了30%?！?/p>

　　30 %的成本削減和多個(gè)因素有關(guān)。首先，消除了組裝成本：只需生產(chǎn)1個(gè)增材仿生部件，設(shè)計(jì)制造一次性完成，而此前需要生產(chǎn)9個(gè)零件并進(jìn)行再組裝；其次，省去了使用鑄造工藝時(shí)必不可少的制模成本；以及，最令人關(guān)注的時(shí)間成本，增材制造技術(shù)可輕松，并保證如期完成和該項(xiàng)目一樣巨大產(chǎn)品的生產(chǎn)。行業(yè)里把這稱為第一時(shí)間進(jìn)入市場(chǎng)或搶占市場(chǎng) (Time-to-Market)，業(yè)界成為起航時(shí)間 (Time-to-Fly)。

　　Concept Laser 的超大型機(jī)器和設(shè)備

　　Poly-Shape 擁有28臺(tái)具備不同構(gòu)造空間大小的3D 金屬打印設(shè)備。目前，Poly-Shape所有可使用鋁合金粉材進(jìn)行3D打印的設(shè)備中，構(gòu)造空間尺寸最大的是Concept Laser的X line 1000R。該設(shè)備可提供630 x 400 x 500mm3的構(gòu)造空間，并在惰性氣體保護(hù)下，進(jìn)行安全生產(chǎn)和粉末篩分管理，這些都是依據(jù)ATEX安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。此外，X line 1000R還擁有一個(gè)可交替使用兩種構(gòu)造模塊的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，因此能夠保證連續(xù)生產(chǎn)、無(wú)停工時(shí)間。這種獨(dú)一無(wú)二的設(shè)備設(shè)計(jì)不僅提供了極高的時(shí)間可用性，也讓機(jī)器的加裝和拆卸操作變得簡(jiǎn)單和安全。

　　其升級(jí)型號(hào)X line 2000R甚至擁有更大的構(gòu)造空間 (800 x 400 x 500mm3)，目前這在全球基于粉末床的激光熔融方面都是無(wú)與倫比的。相比X line 1000R，其有效構(gòu)造體積再次增大了約27 %，從126 l 增加至160 l。此外，該升級(jí)型號(hào)使用了兩部功率各為1，000W的激光器。Concept Laser的 LaserCUSING加工工藝對(duì)該項(xiàng)目具有重大意義：Concept Laser設(shè)備的特點(diǎn)在于對(duì)需要連續(xù)處理的切片分割（也稱為“島”）進(jìn)行隨機(jī)控制。這種專利方法可以確保在制造超大型部件時(shí)顯著降低應(yīng)力。

　　處理 447 x 204.5 x 391 mm3的龐大尺寸時(shí)，毫無(wú)疑問(wèn)需要最大程度地控制翹曲現(xiàn)象發(fā)生。X line 1000R為構(gòu)造空間提供了均衡的溫度控制，避免在制造“超大型”部件時(shí)產(chǎn)生翹曲。制造大型而又復(fù)雜的仿生幾何形狀當(dāng)然是很耗費(fèi)時(shí)間的，但Concept Laser的3D金屬打印設(shè)備在進(jìn)行該項(xiàng)目龐大產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)只用了幾天時(shí)間。

　　符合工藝要求的設(shè)計(jì)

　　過(guò)渡到增材制造意味著設(shè)計(jì)思維也需要轉(zhuǎn)變。為了完全發(fā)揮出激光熔融的潛力，1：1 復(fù)制幾何形狀是毫無(wú)意義的。為了對(duì)3D部件進(jìn)行修整使其具備符合性能要求的幾何形狀、仿生和輕量化結(jié)構(gòu)，需要使用CAE-CAD輔助方法。Florence Montredon介紹說(shuō)：“很明顯，我們已經(jīng)證實(shí)增材制造將是更多項(xiàng)目的有力競(jìng)爭(zhēng)者。將來(lái)，我們還希望直接在3D結(jié)構(gòu)上或內(nèi)部置入熱控或無(wú)線電功能部件，即下一個(gè)任務(wù)是進(jìn)行功能集成。這也是根據(jù)增材制造的潛力得到的一個(gè)合乎邏輯的結(jié)果?！?/p>

　　結(jié)論

　　Koreasat-5A和Koreasat-7項(xiàng)目展示了超大型高精增材制造部件在太空應(yīng)用中的可行性。采用模擬仿生設(shè)計(jì)，增材制造完成的部件可將此前需要生產(chǎn)的9個(gè)零件削減為1個(gè)零件，一次性完成的工藝讓制造過(guò)程中不再有此前的組裝成本；同時(shí)還得到了明顯更好的輕量化結(jié)構(gòu)潛力；使用增材制造解決方案可以減去22 %的重量，最終重量?jī)H1.13kg。在這種每一克重量都至關(guān)重要的應(yīng)用中，這是一個(gè)巨大的飛躍；3D幾何形狀可以根據(jù)在太空軌道中的使用條件進(jìn)行優(yōu)化修整。該項(xiàng)目令人印象深刻的結(jié)果展示了增材制造在航天工業(yè)中的潛力，相信未來(lái)航空航天領(lǐng)域中肯定還將會(huì)有更多此類項(xiàng)目的出現(xiàn)。

　　就Koreasat-5A和Koreasat-7項(xiàng)目采訪Thales Alenia Space 和 Poly-Shape相關(guān)負(fù)責(zé)人

　　受訪者：

　　Florence Montredon，Thales Alenia Space公司增材制造技術(shù)開發(fā)部經(jīng)理，Cannes（法國(guó)）

　　Stéphane Abed，Poly-Shape SAS 公司CEO，Salon de Provence（法國(guó)）

　　提問(wèn)：貴公司的產(chǎn)品生產(chǎn)，您會(huì)選用哪種技術(shù)和制造方法？

　　Florence Montredon：因?yàn)樾l(wèi)星的生產(chǎn)數(shù)量以及衛(wèi)星各單個(gè)部件的生產(chǎn)數(shù)量都極少，所以3D打印技術(shù)是目前最理想的制造方法。而相比較而言，對(duì)于鑄造件，也就是和模具有關(guān)的制造方法則更適合于那些需要大批量制造的部件生產(chǎn)。

　　提問(wèn)：請(qǐng)您簡(jiǎn)短地介紹一下Koreasat-5A和Koreasat-7項(xiàng)目。

　　Florence Montredon：我們希望通過(guò)制造通信衛(wèi)星Koreasat-5A和Koreasat-7證明激光熔融技術(shù)為我們的應(yīng)用開啟了大量的可能。我們這次采用3D打印技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于從設(shè)計(jì)、開發(fā)到成品的時(shí)間軸極短，且它還具有很高的經(jīng)濟(jì)性。

　　提問(wèn)：要制造這個(gè)最大的3D 金屬部件，都有哪些特別的挑戰(zhàn)？

　　Stéphane Abed：主要的問(wèn)題來(lái)自于諸如可行性、翹曲角度、幾何形狀以及重量等方面的挑戰(zhàn)。但我們的設(shè)計(jì)人員可以使用CAE/CAD優(yōu)化工具對(duì)設(shè)計(jì)，即幾何形狀進(jìn)行符合工藝要求的優(yōu)化，同時(shí)減輕重量并滿足負(fù)載要求。

　　提問(wèn)：為什么選擇了激光熔融技術(shù)？

　　Florence Montredon：激光熔融技術(shù)對(duì)于衛(wèi)星制造是一種非常有前途的制造工藝。對(duì)于極少部件的生產(chǎn)，該技術(shù)堪稱完美，不僅為輕量化結(jié)構(gòu)開辟了發(fā)揮空間，而且非常適合于高度復(fù)雜的幾何形狀。

　　提問(wèn)：與以前的制造工藝相比，從這個(gè)采用激光熔融技術(shù)的項(xiàng)目中您獲得了哪些經(jīng)驗(yàn)？

　　Florence Montredon：基于粉末床的激光熔融技術(shù)很適合于對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，并能大幅減輕重量。而減輕重量是我們最重要的目標(biāo)。根據(jù)之前的經(jīng)驗(yàn)，把1kg重量送入太空軌道的實(shí)際成本大約是20,000歐元，空間法鼓勵(lì)我們減少飛行物中金屬材料的數(shù)量，因?yàn)樗鼈儠?huì)在衛(wèi)星重返大氣層時(shí)造成排放危險(xiǎn)。因此，衛(wèi)星的制造關(guān)系到輕量化結(jié)構(gòu)、可持續(xù)發(fā)展和環(huán)保等一系列問(wèn)題。當(dāng)然，我們也希望這種技術(shù)能帶來(lái)成本縮減，并在航天任務(wù)緊湊的時(shí)間表中確立優(yōu)勢(shì)。和此前包含組裝工作的傳統(tǒng)解決方案相比，本次項(xiàng)目的成本縮減潛力達(dá)到了約30 %。

　　提問(wèn)：為什么選擇Concept Laser的設(shè)備？

　　Stéphane Abed：這里選用Concept Laser設(shè)備特別合適，因?yàn)檫@臺(tái)機(jī)器是獨(dú)一無(wú)二的，它為3D金屬打印提供了必要的構(gòu)造空間。因?yàn)閷?duì)于超大型部件，除了采用連接技術(shù)對(duì)零件進(jìn)行連接外，目前沒有其他替代方案可用。然而，連接技術(shù)意味著出現(xiàn)薄弱部位，而且連接時(shí)還可能會(huì)出現(xiàn)損壞。但使用激光熔融的一次性制造方式則不會(huì)存在這種情況，而且最重要的是，制造成一個(gè)零件還可以讓我們更快達(dá)到目標(biāo)。

　　提問(wèn)：您在項(xiàng)目中獲得了哪些新的經(jīng)驗(yàn)？

　　Stéphane Abed：3D金屬打印強(qiáng)制要求設(shè)計(jì)要符合工藝要求，這樣才能完全發(fā)揮出數(shù)字化方法的優(yōu)勢(shì)。在幾何形狀自由度方面，它擁有巨大的優(yōu)勢(shì)，而傳統(tǒng)的制造技術(shù)完全無(wú)法比擬。數(shù)字化零件具有不同的外觀，性能更強(qiáng)，并且有著越來(lái)越輕的趨勢(shì)。在特定的批量范圍內(nèi)，我的意思是在中小批量中，它經(jīng)常是更經(jīng)濟(jì)的替代方案。但是這個(gè)界限在逐年上移，增材制造適合的范圍在不斷擴(kuò)大。毫無(wú)疑問(wèn)，Thales Alenia Space的任務(wù)對(duì)整個(gè)團(tuán)隊(duì)都是一個(gè)特殊的挑戰(zhàn)，但這也是優(yōu)勢(shì)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)、開發(fā)和過(guò)程設(shè)計(jì)方面都積累了大量知識(shí)。這些知識(shí)自然而然會(huì)有益于我們來(lái)自航空和航天工業(yè)的其他客戶。我總是說(shuō)：為了能夠立足于增材工藝的最前沿，這次在航空和航天工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的嘗試是很好的培訓(xùn)和練習(xí)機(jī)會(huì)。

　　Florence Montredon：為了能夠在高要求的航天應(yīng)用中獲得高品質(zhì)的質(zhì)量，必然要求終端用戶和制造商之間擁有穩(wěn)固的合作關(guān)系，而且合作伙伴之間必須相互信賴。另外，為了嚴(yán)格遵守時(shí)間表，Thales Alenia Space和Poly-Shape之間的緊密合作和互動(dòng)也是必不可少的，團(tuán)隊(duì)合作和溝通交流非常重要。

　　提問(wèn)：功能集成是否在項(xiàng)目中起到了作用？您認(rèn)為它未來(lái)的前景如何？

　　Stéphane Abed：這個(gè)3D鋁制零件取代了此前設(shè)計(jì)的9個(gè)零件。舊設(shè)計(jì)是對(duì)兩塊夾心式蜂窩板以及金屬嵌件和銑削腹板進(jìn)行組合，通過(guò)螺栓和粘貼進(jìn)行安裝?，F(xiàn)在，我們可以通過(guò)一次性制造的單一部件塑造出這種附帶組裝成本的結(jié)構(gòu)。

　　圖1：太空軌道中歐洲最大的增材制造部件：衛(wèi)星的鋁制天線支架（尺寸：x:447mm; y:204.5 mm; z:391 mm – 除去構(gòu)造板高度），由 Concept Laser 的 X line 1000R制造。

　　圖 2：法國(guó)Thales Alenia Space公司增材制造技術(shù)開發(fā)部經(jīng)理Florence Montredon說(shuō) ：“我認(rèn)為3D金屬打印為新產(chǎn)品提供了非常綜合的功能方法基礎(chǔ)?！?/p>

　　圖3：法國(guó)Poly-Shape SAS公司CEO Stéphane Abed表示：“3D金屬打印強(qiáng)制要求設(shè)計(jì)要符合工藝要求，這樣才能完全發(fā)揮出數(shù)字化方法的優(yōu)勢(shì)。這樣制造的部件具有不同的外觀，性能更強(qiáng)，并且有著輕量化趨勢(shì)?！?/p>