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科技日報記者?金?鳳
在“斤斤計較，克克黃金”的航天領域，3D打印技術的應用，讓衛(wèi)星“瘦身”的同時，“內(nèi)涵”更加豐富。12月3日，在南京舉行的第二屆增材制造研究前沿國際會議中，科技日報記者了解到，南京理工大學已在10多顆已經(jīng)發(fā)射的微納衛(wèi)星中，應用了3D打印技術。
增材制造俗稱3D打印，是以數(shù)字模型為基礎，將材料逐層堆積制造出實體物品的新興制造技術，是先進制造業(yè)的重要組成部分。
“你們看這個微納衛(wèi)星模型，就是用3D打印的，這么大的衛(wèi)星一般用于空間科學實驗驗證。”南京理工大學機械工程學院副院長劉婷婷說。她手握著一顆10立方厘米衛(wèi)星模型，在這個立方體模型中，各個不同功能的元器件像被鑲嵌在結構中。
“衛(wèi)星中的結構材料是沒有功能的，類似于電視機殼，它只是將各個元器件組裝起來。衛(wèi)星的重量每增加一點，它的費用就會提高很多。如果結構材料能輕一些，一 來可以降低成本，為批量化生產(chǎn)衛(wèi)星提供基礎，二來可以搭載更多的衛(wèi)星載荷，進行更多的空間試驗。”劉婷婷介紹，傳統(tǒng)的衛(wèi)星制造模式，是衛(wèi)星內(nèi)部各個模塊分 離制造，再裝配集成。但她所在的團隊提出將微納衛(wèi)星的導電線路內(nèi)生成型于結構體內(nèi)部，再嵌入一些功能載荷，這就將衛(wèi)星的電路、元器件和功能材料融為一體， 可以進行“結構—電路—器件”一體化3D打印制造。
“一體化3D打印技術的拓撲設計、晶格設計等輕量化設計技術，可以在衛(wèi)星內(nèi)部結構上重新布局，從而可以實現(xiàn)衛(wèi)星輕量化。”劉婷婷告訴記者，用3D打印出一體化研制的微納衛(wèi)星，體積可減少30%以上，功能密度提升30%以上。
劉婷婷表示，未來的衛(wèi)星，我們會用多機器人來打印，一個機器人打印電路，一個機器人打印結構，一個機器人嵌入器件，最終一體化制造出來。原來的衛(wèi)星結構占比大約15%—20%，甚至25%，未來有望降到10%以下，甚至更低。
讓衛(wèi)星“瘦身”有多難？劉婷婷透露，首先要給衛(wèi)星的復雜結構減重，“但減重的同時，衛(wèi)星還要能達到一定的抗沖擊能力，因為火箭在發(fā)射過程中會有很大震動，對衛(wèi)星器件和結構的沖擊力是很強的，衛(wèi)星要能承載巨大的沖擊力，這對設計要求很高。”
嚴峻的空間環(huán)境，也對衛(wèi)星性能的穩(wěn)定性提出挑戰(zhàn)。“太空環(huán)境非常復雜，高溫時可達零上100攝氏度，低溫時低到零下100攝氏度。在這樣的環(huán)境中，衛(wèi)星的結構器件要能承受極端溫度和空間輻射，這對3D打印材料的性能也提出很高要求。”劉婷婷說。