成功案例|微小卫星框架-助力航天轻量化结构发展

浩瀚宇宙，奥妙无穷，无时无刻不对整个人类充满着极大的诱惑，探索神秘和多彩的未知世界，遨游充满着无限生机的宇宙太空，一直是人类恒久不变的主题。

从1957年前苏联第一颗人造卫星上天拉开人类航天时代的序幕，到如今建立太空空间站进行人类活动，人类探索的步伐从未停止，随着人类对太空认知的加深以及航空技术的发展，新时期人类提出了远空探索、建设外星球基地乃至星球移民更为伟大的科技梦想。人类首先遇到的最大的挑战在于太空探索梦想的实现很大程度上依赖于如何充分利用太空丰富的资源去实现太空制造，克服现有火箭运载方式在载重、体积、成本上对太空探索活动的限制，获得深空探索所需的运载平台、工具与装备，实现太空基地的自我维持。

在航空航天这一前沿科技领域，工业级3D打印机的应用正引领着一场革命性的变革。这些高精度、高效率的设备，不仅能够实现复杂结构的直接制造，还极大地缩短了产品从设计到原型再到量产的周期。当谈及3D打印的材质多样性时，航空航天工业尤为受益，因为它涵盖了从轻质高强度的铝合金、钛合金到耐高温的陶瓷材料，乃至先进的聚合物复合材料等，每一种材料都经过精心挑选，以满足航空航天部件对强度、耐腐蚀性、耐高温性等的严苛要求。

在“上天重一克等于一克黄金”的航天领域，恶劣的空间环境对卫星性能的稳定性提出了挑战。太空环境非常复杂，高温达到零上100摄氏度，低温低至零下100摄氏度。在这样的环境下，卫星的结构装置要能够承受极端温度和太空辐射，这也对3D打印材料的性能提出了很高的要求。

关于3D打印材料的强度，不得不提的是，通过精细的打印工艺与后处理技术，许多3D打印部件已经达到了甚至超越了传统制造方法的强度标准。特别是金属材料的3D打印，如钛合金部件，在航空发动机的制造中展现出了卓越的机械性能和高温稳定性，这对于提升飞行器的整体性能至关重要。

在这种背景下，3D打印拓扑结构、晶格结构和轻量化结构，就特别有利于上天的轻量化设计，使它的功能密度更高，使得卫星身材更为“苗条”，“内涵”更为丰富。

阿奈索三维打印技术为这种太空飞行器在恶劣环境中向更小、更轻、更强、更稳定发展提供了可能。研发团队开发了一种具有碳纤维增强和拓扑优化的立方体小卫星框架，最小的型号：10*10*10cm，采用PETG+CCF（复合碳纤维）的材料组合。其打印的部件高于铝的强度，如果要使用铝制材料，则需要相当大的时间量制作，若参数不合适继续调试的时间成本也很高。而连续纤维3D打印则最大化的缩短了制作时间，研发团队可以时刻改进制作模型和参数，并且在较短时间内就可以获得全新的部件。

在开放太空环境中运行中，卫星框架选择耐高温材料PEEK，承载强力并具有耐热性，其温度范围为±150°C。相比之下，非工程材料的工作温度范围只适用于在地制造。同时，通过强化设计和定向加固、定制纤维路径和设计的方式，使卫星框架重量降至200.6g,相比传统的铝制材料的卫星框架重量轻49.7%。

连续纤维增强聚合物具有明显的各向异性性能，表现为沿纤维方向的高弹性模量和横向低弹性模量。从这一点来看，正确的材料选用对于结构非常重要。各向异性打印可以自由规划纤维，而拓扑优化帮助减少了材料无效区域。

至于3D打印机的价格，工业级3D打印机因其技术复杂性和高制造精度，通常价格不菲。具体价格会根据打印机的型号、打印尺寸、材料兼容性以及品牌等因素有所不同，从数十万到数百万人民币不等。然而，考虑到其在提升生产效率、降低研发成本方面的巨大潜力，对于航空航天等高端制造业而言，这笔投资无疑是物有所值的。

此外，随着3D打印技术的日益普及，3D打印教学也逐渐成为培养未来工程师和设计师不可或缺的一环。通过系统化的课程和实践操作，学生们能够深入了解3D打印的原理、材料特性、设计优化及实际应用，为航空航天领域乃至更广泛的工业界输送具备创新思维和实操技能的复合型人才。这种教学模式不仅促进了知识的传承，更为推动科技进步和社会发展奠定了坚实的基础。

阿奈索三维起源于航空航天，由几位顶级复合材料专家创立，深耕行业多年已有丰富的技术沉淀。其核心的连续纤维3D打印共挤技术已在航天航空领域中有了较为广泛的应用。所打印复合材料的零部件具有高强度、轻量化的特性，可用于替代金属零部件，实现轻量化制造。团队也将不断深耕技术研发，进一步扩大航天领域技术应用场景。用更高性能的产品为航天航空增材制造的高质量发展贡献自己的力量，助力航天轻量化结构发展！