航空和航天工業領域內，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金屬打印技術是數字化制造方式的創新推動者和先驅者地位。據了解，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；Koreasat-5A也將于2017年第二個季度發射升空，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。這兩顆衛星上的超大部件將由Thales Alenia Space和Poly-Shape合作制造完成。

　　據介紹，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勢

　　鋁 (Al) 在重量和導熱性上具有優勢，是衛星上最常用的金屬材料，因為衛星需要送入太空軌道的重量越輕越好。據Thales Alenia Space 增材制造負責人Florence Montredon介紹：“根據以往經驗，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出了<1 % 的低孔隙率，并最終成功通過了Thales Alenia Space公司的動態測試。Florence Montredon表示：“增材制造的效果很顯著：與傳統結構相比，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1個增材仿生部件，設計制造一次性完成，而此前需要生產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品的生產。行業里把這稱為第一時間進入市場或搶占市場 (Time-to-Market)，業界成為起航時間 (Time-to-Fly)。

　　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，進行安全生產和粉末篩分管理，這些都是依據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，因此能夠保證連續生產、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象發生。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品生產時只用了幾天時間。

　　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幾何形狀可以根據在太空軌道中的使用條件進行優化修整。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。

　　就Koreasat-5A和Koreasat-7項目采訪Thales Alenia Space 和 Poly-Shape相關負責人

　　受訪者：

　　Florence Montredon，Thales Alenia Space公司增材制造技術開發部經理，Cannes（法國）

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

　　提問：貴公司的產品生產，您會選用哪種技術和制造方法？

　　Florence Montredon：因為衛星的生產數量以及衛星各單個部件的生產數量都極少，所以3D打印技術是目前最理想的制造方法。而相比較而言，對于鑄造件，也就是和模具有關的制造方法則更適合于那些需要大批量制造的部件生產。

　　提問：請您簡短地介紹一下Koreasat-5A和Koreasat-7項目。

　　Florence Montredon：我們希望通過制造通信衛星Koreasat-5A和Koreasat-7證明激光熔融技術為我們的應用開啟了大量的可能。我們這次采用3D打印技術的主要優勢在于從設計、開發到成品的時間軸極短，且它還具有很高的經濟性。

　　提問：要制造這個最大的3D 金屬部件，都有哪些特別的挑戰？

　　Stéphane Abed：主要的問題來自于諸如可行性、翹曲角度、幾何形狀以及重量等方面的挑戰。但我們的設計人員可以使用CAE/CAD優化工具對設計，即幾何形狀進行符合工藝要求的優化，同時減輕重量并滿足負載要求。

　　提問：為什么選擇了激光熔融技術？

　　Florence Montredon：激光熔融技術對于衛星制造是一種非常有前途的制造工藝。對于極少部件的生產，該技術堪稱完美，不僅為輕量化結構開辟了發揮空間，而且非常適合于高度復雜的幾何形狀。

　　提問：與以前的制造工藝相比，從這個采用激光熔融技術的項目中您獲得了哪些經驗？

　　Florence Montredon：基于粉末床的激光熔融技術很適合于對設計進行優化，并能大幅減輕重量。而減輕重量是我們最重要的目標。根據之前的經驗，把1kg重量送入太空軌道的實際成本大約是20,000歐元，空間法鼓勵我們減少飛行物中金屬材料的數量，因為它們會在衛星重返大氣層時造成排放危險。因此，衛星的制造關系到輕量化結構、可持續發展和環保等一系列問題。當然，我們也希望這種技術能帶來成本縮減，并在航天任務緊湊的時間表中確立優勢。和此前包含組裝工作的傳統解決方案相比，本次項目的成本縮減潛力達到了約30 %。

　　提問：為什么選擇Concept Laser的設備？

　　Stéphane Abed：這里選用Concept Laser設備特別合適，因為這臺機器是獨一無二的，它為3D金屬打印提供了必要的構造空間。因為對于超大型部件，除了采用連接技術對零件進行連接外，目前沒有其他替代方案可用。然而，連接技術意味著出現薄弱部位，而且連接時還可能會出現損壞。但使用激光熔融的一次性制造方式則不會存在這種情況，而且最重要的是，制造成一個零件還可以讓我們更快達到目標。

　　提問：您在項目中獲得了哪些新的經驗？

　　Stéphane Abed：3D金屬打印強制要求設計要符合工藝要求，這樣才能完全發揮出數字化方法的優勢。在幾何形狀自由度方面，它擁有巨大的優勢，而傳統的制造技術完全無法比擬。數字化零件具有不同的外觀，性能更強，并且有著越來越輕的趨勢。在特定的批量范圍內，我的意思是在中小批量中，它經常是更經濟的替代方案。但是這個界限在逐年上移，增材制造適合的范圍在不斷擴大。毫無疑問，Thales Alenia Space的任務對整個團隊都是一個特殊的挑戰，但這也是優勢，我們在設計、開發和過程設計方面都積累了大量知識。這些知識自然而然會有益于我們來自航空和航天工業的其他客戶。我總是說：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領域內的嘗試是很好的培訓和練習機會。

　　Florence Montredon：為了能夠在高要求的航天應用中獲得高品質的質量，必然要求終端用戶和制造商之間擁有穩固的合作關系，而且合作伙伴之間必須相互信賴。另外，為了嚴格遵守時間表，Thales Alenia Space和Poly-Shape之間的緊密合作和互動也是必不可少的，團隊合作和溝通交流非常重要。

　　提問：功能集成是否在項目中起到了作用？您認為它未來的前景如何？

　　Stéphane Abed：這個3D鋁制零件取代了此前設計的9個零件。舊設計是對兩塊夾心式蜂窩板以及金屬嵌件和銑削腹板進行組合，通過螺栓和粘貼進行安裝。現在，我們可以通過一次性制造的單一部件塑造出這種附帶組裝成本的結構。

　　圖1：太空軌道中歐洲最大的增材制造部件：衛星的鋁制天線支架（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。

　　圖 2：法國Thales Alenia Space公司增材制造技術開發部經理Florence Montredon說 ：“我認為3D金屬打印為新產品提供了非常綜合的功能方法基礎。”

　　圖3：法國Poly-Shape SAS公司CEO Stéphane Abed表示：“3D金屬打印強制要求設計要符合工藝要求，這樣才能完全發揮出數字化方法的優勢。這樣制造的部件具有不同的外觀，性能更強，并且有著輕量化趨勢。”