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航空和航天工業(yè)領域內(nèi)，歐洲最先進、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3D打印服務公司Poly-Shape SAS達成合作伙伴關系，為韓國的新通信衛(wèi)星Koreasat-5A和Koreasat-7提供增材制造部件，從而也再次證實了3D金屬打印技術是數(shù)字化制造方式的創(chuàng)新推動者和先驅者地位。據(jù)了解，Koreasat-7將于2017 年升空進入東116o的太空軌道位置，覆蓋韓國、菲律賓、印度尼西亞和印度地區(qū)；Koreasat-5A也將于2017年第二個季度發(fā)射升空，并進入東113°的太空軌道位置，覆蓋韓國、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。但對于Thales Alenia Space來說，真正的挑戰(zhàn)還是來自于部件的尺寸。該部件屬于超大型的工程部件，由法國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的合作伙伴。

輕量化結構和成本縮減是主要優(yōu)勢

鋁 (Al) 在重量和導熱性上具有優(yōu)勢，是衛(wèi)星上最常用的金屬材料，因為衛(wèi)星需要送入太空軌道的重量越輕越好。據(jù)Thales Alenia Space 增材制造負責人Florence Montredon介紹：“根據(jù)以往經(jīng)驗，把 1kg 重量送入太空軌道的實際成本大約是20，000歐元，因此每一克都要精打細算。Koreasat-5A和 Koreasat-7這兩顆新衛(wèi)星的起飛重量都在3，500kg左右。”而增材制造技術在輕量化結構方面具有巨大的潛力。

太空應用要求所使用的材料具有很高的強度、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。且在部件的驗證過程中，該增材制造成品部件表現(xiàn)出了<1 % 的低孔隙率，并最終成功通過了Thales Alenia Space公司的動態(tài)測試。Florence Montredon表示：“增材制造的效果很顯著：與傳統(tǒng)結構相比，仿生的增材制造結構重量減輕了22%。更重要的是，生產(chǎn)效率極大提高的同時，成本還下降了30%。”

30%的成本削減和多個因素有關。首先，消除了組裝成本：只需生產(chǎn)1個增材仿生部件，設計制造一次性完成，而此前需要生產(chǎn)9個零件并進行再組裝；其次，省去了使用鑄造工藝時必不可少的制模成本；以及，最令人關注的時間成本，增材制造技術可輕松，并保證如期完成和該項目一樣巨大產(chǎn)品的生產(chǎn)。行業(yè)里把這稱為第一時間進入市場或搶占市場 (Time-to-Market)，業(yè)界成為起航時間 (Time-to-Fly)。

　　

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 – 除去構造板高度），由 Concept Laser 的 X line 1000R制造。

Concept Laser 的超大型機器和設備

Poly-Shape 擁有28臺具備不同構造空間大小的3D 金屬打印設備。目前，Poly-Shape所有可使用鋁合金粉材進行3D打印的設備中，構造空間尺寸最大的是Concept Laser的X line 1000R。該設備可提供630 x 400 x 500mm3的構造空間，并在惰性氣體保護下，進行安全生產(chǎn)和粉末篩分管理，這些都是依據(jù)ATEX安全標準設計。此外，X line 1000R還擁有一個可交替使用兩種構造模塊的旋轉機構，因此能夠保證連續(xù)生產(chǎn)、無停工時間。這種獨一無二的設備設計不僅提供了極高的時間可用性，也讓機器的加裝和拆卸操作變得簡單和安全。

其升級型號X line 2000R甚至擁有更大的構造空間 (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與倫比的。相比X line 1000R，其有效構造體積再次增大了約27 %，從126 l 增加至160 l。此外，該升級型號使用了兩部功率各為1，000W的激光器。Concept Laser的 LaserCUSING加工工藝對該項目具有重大意義：Concept Laser設備的特點在于對需要連續(xù)處理的切片分割（也稱為“島”）進行隨機控制。這種專利方法可以確保在制造超大型部件時顯著降低應力。

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

符合工藝要求的設計

過渡到增材制造意味著設計思維也需要轉變。為了完全發(fā)揮出激光熔融的潛力，1：1 復制幾何形狀是毫無意義的。為了對3D部件進行修整使其具備符合性能要求的幾何形狀、仿生和輕量化結構，需要使用CAE-CAD輔助方法。Florence Montredon介紹說：“很明顯，我們已經(jīng)證實增材制造將是更多項目的有力競爭者。將來，我們還希望直接在3D結構上或內(nèi)部置入熱控或無線電功能部件，即下一個任務是進行功能集成。這也是根據(jù)增材制造的潛力得到的一個合乎邏輯的結果。”

結論

Koreasat-5A和Koreasat-7項目展示了超大型高精增材制造部件在太空應用中的可行性。采用模擬仿生設計，增材制造完成的部件可將此前需要生產(chǎn)的9個零件削減為1個零件，一次性完成的工藝讓制造過程中不再有此前的組裝成本；同時還得到了明顯更好的輕量化結構潛力；使用增材制造解決方案可以減去22 %的重量，最終重量僅1.13kg。在這種每一克重量都至關重要的應用中，這是一個巨大的飛躍；3D幾何形狀可以根據(jù)在太空軌道中的使用條件進行優(yōu)化修整。該項目令人印象深刻的結果展示了增材制造在航天工業(yè)中的潛力，相信未來航空航天領域中肯定還將會有更多此類項目的出現(xiàn)。