彻底改变飞行硬件：在轨 3D 打印航空航天组件
在轨航空航天增材制造：设计用于飞行的 3D 打印卫星
几十年来，航空航天制造一直以铝、钛和长交货时间为特征。结构部件的加工、紧固、检查和组装过程优先考虑确定性而不是速度。
那么，当增材制造不仅仅是制作硬件原型，而是在轨道上飞行时，会发生什么呢？
这正是前 NASA 科学家 Tony Boschi 和 Sidus Space 团队着手建造 LizzieSat 时所发生的情况，LizzieSat 是一颗部分 3D 打印的卫星，旨在搭载 SpaceX 的 Transporter-9 任务发射。
他们一路走来所证明的事情是每个工程领导者都应该关注的：
航空航天增材制造不再是实验性的。已正常运行。
Sidus Space 的 Tony Boschi 解释了连续碳纤维 3D 打印和 Markforged 材料如何支持 LizzieSat 的开发，LizzieSat 是一颗专为多行业任务设计的部分 3D 打印卫星。
工程限制：100 公斤，不再需要
LizzieSat 的设计遵循严格的质量限制：整个卫星的重量必须低于 100 公斤。
对于航空航天工程师来说，这个数字立即说明了问题。
电池消耗质量。飞行计算机消耗大量的能量。有效负载系统消耗质量。电力系统消耗质量。
结构往往是减重机会存在的地方，但结构也必须生存：
- 5G 发射负载
- 太阳辐射暴露
- 热波动接近 200°C (300°F)
- 多年轨道寿命
在发射过程中，重力会倍增。 5 磅重的内部组件在 5G 下实际上重 25 磅。 100 磅重的结构承受 500 磅的力。仅该载荷工况就消除了许多材料的考虑。
Sidus 团队并不打算建造一艘单一用途的航天器。他们设想了一个灵活的卫星总线平台，能够支持多种客户、行业和任务类型。 LizzieSat 无需发射数十颗专用卫星，而是可以适应不同的有效载荷。
这种灵活性需要一个轻量、坚固、快速迭代和精确制造的结构系统。传统机械加工无法足够快地实现这一目标。
为什么航空航天增材制造改变了方程式
对于传统的铝制造，设计变化会带来摩擦。工程修订必须发布。零件必须重新加工。装配可能需要返工。交货时间延长。
博斯基有一个不同的目标：以创新的速度进行设计。
使用 Markforged X7，Sidus 开始生产用连续碳纤维增强的结构部件。这不是装饰原型——而是结构硬件。
连续碳纤维加固提供与铝相当的强度，同时显着减轻重量。更重要的是，几何形状不再受到减材制造的限制。
如果设计发生变化，不需要几周的时间就能实施。
花了一天的时间。
Boschi 清楚地描述了其中的差异：当事情发生变化时，团队可以重新打印新的结构组件并立即集成。对于在紧迫的商业时间表上运行的卫星项目来说，这种速度不是一种便利，而是一种竞争优势。
这就是航空航天增材制造提供的解锁：无惩罚的迭代。
空间资格问题
评估增材制造的工程师不可避免地会问同样的问题：
它能在太空中生存吗？
Sidus 用数据而不是假设回答了这个问题。该团队获得了开发飞行测试平台的资助，这是一个将被发送到国际空间站的实验结构。他们使用 Markforged Onyx 快速制作样品支架原型，并将其集成到实验中。
最初的计划要求在轨道上进行大约 15 周的暴露。相反，这些部件整整一年都留在国际空间站之外。
在太空中，材料面临着无情的压力。直接太阳辐射会降解聚合物。温度循环推动材料经历极端的膨胀和收缩。真空条件暴露了弱点。
当样本返回地球时，一些材料出现了明显的降解。
玛瑙部件没有。
博斯基表示，在太空中呆了一年的零件和机器上新打印的零件之间没有明显的差异。没有结构性妥协。无表面击穿。没有意外的物质行为。
对于航空航天增材制造来说，这种真实世界的验证比任何数据表都更重要。它证明了正确设计的复合材料 3D 打印部件可以在轨道上生存。
这种验证现在已经扩展到测试平台之外。自 2024 年以来，三颗 LizzieSats 成功发射并在轨运行，增材结构部件已从实验性暴露试验转向经过飞行验证的卫星架构。
实现新结构设计的精度
卫星质量最容易被忽视的因素之一是硬件，尤其是紧固件。
博斯基的团队开始提出一个简单的问题：如果我们可以完全卸下螺丝会怎么样？
他们利用增材设计自由度，将精密互锁紧固功能直接设计到结构部件中。零件滑入到位并锁定，公差在千分之十英寸内，小于一张纸的厚度除以三。
以传统方式加工这些几何形状即使不是不可能，也是极其困难的。但通过工业 3D 打印机进行连续纤维 3D 打印，它们是可重复且可靠的。
通过消除不必要的硬件并将紧固功能集成到结构本身中，该团队减少了质量，同时在发射载荷下保持了结构完整性。
这不是渐进式改进，而是增材制造带来的结构性重新思考。
满足航空航天材料要求：阻燃性和可追溯性
在航空航天领域，仅靠实力是不够的。材料的可追溯性和合规性至关重要，特别是对于国防、政府和商业太空项目。
Sidus 转而使用 Onyx FR（一种阻燃材料）和 Onyx FR-A 来打印结构组件，这增加了材料的完整可追溯性。 “A”标志允许批次级追踪至生产原点——这是许多航空航天质量体系的要求。
如果发生裂纹或剪切事件，工程师可以追踪材料谱系、分析根本原因并实施纠正措施。这种程度的责任使增材制造符合航空航天级的期望。
对于负责合规性和认证的技术经理来说，这通常是在结构应用中采用增材制造时缺失的环节。
Markforged 缩小了这一差距。
3D 打印卫星作为平台，而不是原型
LizzieSat 的设计任务寿命为五年。这种长寿不仅反映了对卫星电子设备的信心，而且反映了对其结构完整性的信心。
更广泛的意义不仅仅在于这是一颗 3D 打印的卫星。
航空航天增材制造使得能够创建能够服务多个行业和客户的模块化平台。 Sidus 没有为每个任务建造定制的航天器，而是创建了一个灵活的架构。
这种可扩展性对于快速发展的商业航天市场至关重要。
它是使用工业 3D 打印机的复合 3D 打印技术构建、测试、启动和验证的。
这对工程领导者意味着什么
许多工程团队仍然将增材制造视为原型设计工具。用于夹具、固定装置或概念模型的东西。
LizzieSat 展示了完全不同的东西。
航空航天 3D 打印可以：
- 减少结构质量
- 实现无法加工的几何形状
- 通过集成紧固消除硬件
- 加快设计迭代周期
- 满足防火和可追溯性要求
- 在太空中生存一年
对于管理先进制造团队的技术经理来说，问题不再是增材制造是否适用于航空航天。
关键在于您的竞争对手是否已经在使用它来加快步伐。
如果您正在评估增材制造如何融入您的航空航天路线图，请探索 Markforged 如何支持航空、航天和国防领域的关键任务应用。
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