波音公司新建高通量小卫星3D打印工厂，正在发生的全球“星工厂”热潮
3D打印在实现实现卫星轻量化结构件方面的两大主流逻辑：一是使用轻量化材料，例如以塑料代替金属。工程塑料在机械性能、耐久性、耐腐蚀性、耐热性等方面能达到更高的要求，而且加工更方便并可替代金属材料。二是3D打印点阵结构或拓扑优化设计，点阵设计却可以同时减少零件关键区域中的材料以减轻重量，这样做有时确实降低了零件的整体强度，但却可以提高强度 – 重量比。
而在强大的卫星互联网及国家安全需求背景下，3D打印卫星工厂正在形成一波全球建设热潮。近日，波音宣布其新建高通量小卫星3D打印工厂。
波音高通量卫星
© 波音
波澜壮阔的卫星3D打印
近日，航空航天制造商波音公司宣布推出了一个新的高通量小型卫星生产和测试工厂，旨在通过3D打印-增材制造加快周期时间。
该工厂占地 9万平方米，位于 El Segundo 世界上最大的卫星工厂内，为了增加小型卫星的快速交付时间，该设施将 3D 打印-增材制造整个符合太空要求的卫星巴士，预计将于 2022 年底全面投入使用。
根据波音航天与发射高级副总裁 Jim Chilton，波音和千禧空间系统公司正在将波音的生产专业知识、领域知识和制造能力与敏捷性和快速原型设计相结合，以满足市场对多轨道星座的需求。
WGS-11+ 卫星的预期外观渲染图
© 波音
3D 打印卫星部件
早在 2017 年，波音就公布了 3D 打印卫星的计划，并在此期间发射了包含 50 多个 3D 打印组件的 SES-15 卫星。
最近，波音与 Titomic Kinetic Fusion (TKF) 3D 打印工艺背后的公司 Titomic 合作，研究可持续钛粉在空间系统增材制造零件中的应用。波音公司将提供其设计和工程专业知识，使 Titomic 能够展示其用于生产空间零件的3D打印工艺。
作为 6.05 亿美元合同的一部分，波音公司还开始使用 3D 打印来增加其为美国太空部队生产的宽带全球卫星通信卫星的产量。波音已将3D打印-增材制造纳入卫星的工作流程，以将交货时间从 10 年显着缩短至仅 5 年。
SES-15 卫星的 3D 打印部件
© 波音
缩短卫星制造周期
在新的卫星生产设施中，波音和千禧空间系统公司将利用先进的增材制造技术为客户提供更快的周期时间。该生产线结合了基于模型的系统工程、数字设计工程和可制造性设计，从而能够在同一条装配线上生产不同安全级别的小型卫星。
该设施还将提供专门为小型卫星量身定制的环境测试能力，包括过去拥有合格标志性航天器的卫星，例如第一辆在月球上进行完全可控软着陆的飞行器。
市场需要比以往更快的在轨卫星，就像飞机或汽车生产线一样，波音采用精益生产原则和先进的3D打印制造技术来加速交付并实现成本节约。该设施的初始运营能力早在 9 月就已具备，预计将在 2022 年底全面投入运营。
3D打印卫星工厂的投资热潮
3D打印在卫星等航天器的制造方面，极大的压缩了卫星制造的供应链。随着增材制造技术的发展及商业航天探索的投入，增材制造组件已成为其制造的所有卫星的标准，根据3D科学谷的了解，到 2020 年，增材制造组件约占典型航天器组件的三分之一。
卫星类型
© 3D科学谷白皮书
根据3D科学谷，从2015年开始，中国诞生了以星际荣耀、蓝箭航天、星河动力、科工火箭等为代表的商业火箭企业，双曲线、快舟、捷龙系列商业火箭已实现成功入轨发射。上游火箭发射的蓬勃发展，也进一步加强了下游卫星制造的发展步伐。
卫星类型
© 3D科学谷白皮书
2015年起，以九天微星、微纳星空、银河航天、天仪研究院、星众空间等为代表的商业卫星企业纷纷创立，并已经制造、运营了多颗卫星。
根据3D科学谷的市场观察，世界范围形成了一轮3D打印卫星工厂的投资热潮。
国内，在卫星批产的过程中，银河航空开始应用3D打印技术“降本增效”。在载荷的研发生产中，通过3D打印技术实现高频微距波导、高性能天线等载荷的加工，将部分载荷互联的空间压缩到传统占用空间的1/3，同时电性能还得到一定程度的提升，使得部分单机及系统的性能更上一层，也极大促进了行业的进步。银河航天在南通重点打造新一代卫星智能制造超级工厂，向年产300-500颗卫星迈进，配套具备低成本、批量化制造新一代低轨宽带通信卫星的智能生产线。
3D打印卫星
© 3D科学谷白皮书
此前，国际上一家名为Terran Orbital的创业企业宣布投资 3 亿美元在佛罗里达州建造商业航天器设施。该设施占地 660,000 平方英尺，将建在梅里特岛上，并利用 3D 打印技术每年生产数千种不同类型的航天器。该工厂将基于人工智能 (AI) 控制的供应链，为卫星生产各种复杂的电子和机械设备。这家工厂结合人工智能驱动的控制，3D 打印机可以不断优化生产，从而以指数方式提高产品质量和缩短生产时间，降低成本，并实现传统航空航天制造无法实现的产品设计。
国际上另外一家名为Fleet Space的公司在2021年12月的B轮融资中筹集了超过 2600 万美元，这家初创公司宣布了第二代星座的计划，据称该星座将包括第一批完全通过 3D打印制造的卫星。3D科学谷了解到Fleet Space 3D 打印卫星天线使其每公斤航天器的传输能力提高 10 倍。这个升级后的星座中的第一颗小型卫星被称为阿尔法，目标是在 12 个月内准备好发射，以加入目前在轨的六个半人马座立方体卫星。根据 Fleet Space，每颗 Alpha卫星将拥有多达 64 3D 打印天线，这使得它能够提供比其最近的Centauri 卫星高 16 倍的性能，而重量只有四倍。
3D打印航天器优势
© 3D科学谷白皮书
总体来说，3D打印卫星正在产业化进行时，3D科学谷认为早期进入到这个领域的企业将获得先发优势，尤其是经验与数据（结合人工智能）的复合积累优势，这个优势将是后来者难以追赶的。
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