航空和航天工業(yè)領(lǐng)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(wù)公司Poly-Shape SAS達(dá)成合作伙伴關(guān)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(shù)是數(shù)字化制造方式的創(chuàng)新推動者和先驅(qū)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(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(jié)構(gòu)和成本縮減是主要優(yōu)勢
鋁 (Al) 在重量和導(dǎo)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(fù)責(zé)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(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。”而增材制造技術(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(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，成本還下降了30%。”
30 %的成本削減和多個因素有關(guān)。首先，消除了組裝成本：只需生產(chǎn)1個增材仿生部件，設(shè)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(guān)注的時間成本，增材制造技術(shù)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)。
Concept Laser 的超大型機器和設(shè)備
Poly-Shape 擁有28臺具備不同構(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(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。此外，X line 1000R還擁有一個可交替使用兩種構(gòu)造模塊的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，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(shè)備設(shè)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(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(shè)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(yīng)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(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)然是很耗費時間的，但Concept Laser的3D金屬打印設(shè)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(shè)計
過渡到增材制造意味著設(shè)計思維也需要轉(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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)上或內(nèi)部置入熱控或無線電功能部件，即下一個任務(wù)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(jié)果。”
結(jié)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(yīng)用中的可行性。采用模擬仿生設(shè)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(jié)構(gòu)潛力；使用增材制造解決方案可以減去22 %的重量，最終重量僅1.13kg。在這種每一克重量都至關(guān)重要的應(yīng)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(jié)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(lǐng)域中肯定還將會有更多此類項目的出現(xiàn)。
就Koreasat-5A和Koreasat-7項目采訪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）
Stéphane Abed，Poly-Shape SAS 公司CEO，Salon de Provence（法國）
提問：貴公司的產(chǎn)品生產(chǎn)，您會選用哪種技術(shù)和制造方法？
Florence Montredon：因為衛(wèi)星的生產(chǎn)數(shù)量以及衛(wèi)星各單個部件的生產(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：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(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)勢在于從設(shè)計、開發(fā)到成品的時間軸極短，且它還具有很高的經(jīng)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(zhàn)？
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(zhàn)。但我們的設(shè)計人員可以使用CAE/CAD優(yōu)化工具對設(shè)計，即幾何形狀進行符合工藝要求的優(yōu)化，同時減輕重量并滿足負(fù)載要求。
提問：為什么選擇了激光熔融技術(shù)？
Florence Montredon：激光熔融技術(shù)對于衛(wèi)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(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：與以前的制造工藝相比，從這個采用激光熔融技術(shù)的項目中您獲得了哪些經(jīng)驗？
Florence Montredon：基于粉末床的激光熔融技術(shù)很適合于對設(shè)計進行優(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，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(shù)量，因為它們會在衛(wèi)星重返大氣層時造成排放危險。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)保等一系列問題。當(dāng)然，我們也希望這種技術(shù)能帶來成本縮減，并在航天任務(wù)緊湊的時間表中確立優(yōu)勢。和此前包含組裝工作的傳統(tǒng)解決方案相比，本次項目的成本縮減潛力達(dá)到了約30 %。
提問：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(gòu)造空間。因為對于超大型部件，除了采用連接技術(shù)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(shù)意味著出現(xiàn)薄弱部位，而且連接時還可能會出現(xiàn)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(dá)到目標(biāo)。
提問：您在項目中獲得了哪些新的經(jīng)驗？
Stéphane Abed：3D金屬打印強制要求設(shè)計要符合工藝要求，這樣才能完全發(fā)揮出數(shù)字化方法的優(yōu)勢。在幾何形狀自由度方面，它擁有巨大的優(yōu)勢，而傳統(tǒng)的制造技術(shù)完全無法比擬。數(shù)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(nèi)，我的意思是在中小批量中，它經(jīng)常是更經(jīng)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(wù)對整個團隊都是一個特殊的挑戰(zhàn)，但這也是優(yōu)勢，我們在設(shè)計、開發(fā)和過程設(shè)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(yè)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(yè)領(lǐng)域內(nèi)的嘗試是很好的培訓(xùn)和練習(xí)機會。
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(rèn)為它未來的前景如何？
Stéphane Abed：這個3D鋁制零件取代了此前設(shè)計的9個零件。舊設(shè)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(xiàn)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(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Thales Alenia Space公司增材制造技術(shù)開發(fā)部經(jīng)理Florence Montredon說 ：“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Poly-Shape SAS公司CEO Stéphane Abed表示：“3D金屬打印強制要求設(shè)計要符合工藝要求，這樣才能完全發(fā)揮出數(shù)字化方法的優(yōu)勢。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?！?/p>