根據3D科學穀的市場觀察，3D打印在衛星尤其是小衛星方麵的應用越來越深化，而衛星小型化已成為(wei) 一種行業(ye) 趨勢。未來，小衛星將發揮越來越重要的作用，並向實用化、業(ye) 務化發展，在通信、對地觀測、空間科學、技術試驗等領域的應用能力進一步提升。2018年至2022年間，全球發射的微小衛星數量將從(cong) 263顆上升到460顆。預計2022年全球500kg以下小衛星市場將達71.79億(yi) 美元

根據中國信通院發布的《6G概念及願景白皮書(shu) 》，5G時代仍將有80%以上的陸地區域和95%以上的海洋區域無移動網絡信號。因此，“建設覆蓋更廣、帶寬更大、時延更低、可靠性更高的衛星互聯網，作為(wei) 地麵通信的有益補充手段，是彌補全球數字鴻溝的關(guan) 鍵。

本期，3D科學穀將與(yu) 穀友一起，深度了解目前國內(nei) 衛星3D打印應用的技術邏輯與(yu) 商業(ye) 價(jia) 值。

▲《3D科學穀航天白皮書(shu) 》

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爆發的市場潛力，巧遇新型製造技術

目前北京已有4家民營火箭企業(ye) 實施商業(ye) 發射，國內(nei) 多家民營企業(ye) 提出並開始實施自己的星座計劃，涉及遙感、低軌寬帶互聯網通信、低軌窄帶物聯網通信等領域，發展前景非常廣闊。

北京市經信局

從(cong) 2015年開始，中國誕生了以星際榮耀、藍箭航天、星河動力、科工火箭等為(wei) 代表的商業(ye) 火箭企業(ye) ，雙曲線、快舟、捷龍係列商業(ye) 火箭已實現成功入軌發射。關(guan) 於(yu) 3D打印在火箭領域的應用，3D科學穀曾分享過《盤點世界範圍內(nei) 3D打印如何驅動下一代航天製造技術》。而不僅(jin) 僅(jin) 是5G通信的需求，上遊火箭發射的蓬勃發展，也進一步加強了下遊衛星製造的發展步伐。

/輕量化、高附加值、更節能

根據3D科學穀的《3D打印與(yu) 航天研發與(yu) 製造業(ye) 白皮書(shu) 》，隨著衛星技術與(yu) 應用的不斷發展，人們(men) 在要求降低衛星成本、減小風險的同時，迫切需要加快衛星開發研製周期。特別是單一任務的專(zhuan) 用衛星，以及衛星組網，更需要投資小、見效快的衛星技術。小衛星技術因此應運而生。

為(wei) 什麽(me) 世界範圍內(nei) 興(xing) 起了3D打印小衛星熱？根據衛星的質量，通常將小於(yu) 1000公斤的衛星稱為(wei) 廣義(yi) 的小衛星，其中，將500-1000公斤的衛星稱為(wei) 小衛星，100-500公斤的衛星稱為(wei) 微小衛星，10-100公斤的稱為(wei) 顯微衛星，小於(yu) 10公斤的稱為(wei) 納米衛星，而小於(yu) 1千克的為(wei) 芯片衛星。3D科學穀認為(wei) ，納米衛星的尺寸剛好適合當前3D打印技術所可以滿足的製造尺寸。

l技術邏輯之一

輕量化的衛星結構

3D打印在實現輕量化結構件方麵的兩(liang) 大主流邏輯：一是使用輕量化材料，例如以塑料代替金屬。工程塑料在機械性能、耐久性、耐腐蝕性、耐熱性等方麵能達到更高的要求，而且加工更方便並可替代金屬材料。工程塑料被廣泛應用於(yu) 電子電氣、汽車、建築、辦公設備、機械、航空航天等行業(ye) ，以塑代鋼、以塑代木已成為(wei) 國際流行趨勢。二是3D打印點陣結構，統製造中，是通過減少非關(guan) 鍵區域的材料來減少材料的使用，以減輕重量。而點陣設計卻可以同時減少零件關(guan) 鍵區域中的材料以減輕重量，這樣做有時確實降低了零件的整體(ti) 強度，但卻可以提高強度 – 重量比。

2017年8月17日俄羅斯太空漫步的宇航員釋放了世界上第一顆幾乎全部采用3D打印機的衛星，在釋放的五顆衛星中，其中一顆衛星Tomsk TPU-120幾乎全部采用3D打印技術生產(chan) ，成為(wei) 俄羅斯進入到空間的首款3D打印衛星。

3D打印的Tomsk TPU-120是一個(ge) 非常輕巧的設備，外形方方正正，尺寸為(wei) 300×100×100毫米。該衛星的外殼是使用經俄羅斯宇航局批準的材料3D打印而成的，大部分是塑料部件。為(wei) 衛星提供動力的電池組外殼，是用氧化鋯陶瓷材料3D打印而成的。使用陶瓷材料能夠不受太空溫度劇烈變化的傷(shang) 害，從(cong) 而延長電池組的壽命。

立方體(ti) 衛星的結構體(ti) 部分，構型相對複雜，並且生產(chan) 數量較小，使用傳(chuan) 統注塑和機加的方式成本高，並且製造難度高，目前有對越來越多的研究機構通過3D打印來製造PEEK 材料的立方體(ti) 衛星結構體(ti) 。國內(nei) INTAMSYS 遠鑄智能通過其FFF/FDM設備已經擁有了3D打印PEEK 立方體(ti) 衛星的案例。

▲遠鑄智能FFF/FDM設備3D打印的PEEK 立方體(ti) 衛星

INTAMSYS 遠鑄智能

在金屬3D打印方麵，根據3D科學穀的了解，中國中國空間技術研究院在積極的進行通過3D打印立體(ti) 小衛星的布局。

2019年8月17日，捷龍一號遙一火箭在酒泉衛星發射中心點火起飛，以“一箭三星”的方式將“千乘一號01星”衛星送入預定軌道，發射取得圓滿成功。千乘一號衛星主結構是目前國際首個(ge) 基於(yu) 3D打印點陣材料的整星結構，千乘一號衛星入軌運行穩定，標誌著用於(yu) 航天器主承力結構的3D打印三維點陣結構技術成熟度達到九級，即實際係統成功完成使用任務。

3D打印不僅(jin) 僅(jin) 實現點陣結構這樣的輕量化結構，在衛星製造方麵的應用技術邏輯還包括：一體(ti) 化結構實現、高附加值零件製造、動力結構製造等等。

l技術邏輯之二

一體(ti) 化結構實現方麵

3D打印的突出特點有兩(liang) 個(ge) ：免除模具以及製造成本對設計的複雜性不敏感，也就是說3D打印適合製造複雜形狀的產(chan) 品，包括一體(ti) 化結構、仿生學設計、異形結構、輕量化點陣結構、薄壁結構、梯度合金、複合材料、超材料等等。

通過3D打印實現結構一體(ti) 化已經在很多行業(ye) 獲得了經典應用案例。

2017年，空中客車防務及航天公司的射頻濾波器項目充分展示了3D打印的能力，為(wei) 數十年沒有明顯變化的航空業(ye) 提供了新的創新設計。通過改進濾波器形狀和表麵來提升其功能，而這是傳(chuan) 統製造方式無法提供的，定製型的設計也有效降低了濾波器的生產(chan) 時間和成本。當然在提升材料強度的同時還使濾波器更輕質。

之前的射頻濾波器是按照傳(chuan) 統的標準化元素設計的，例如矩形腔和波導截麵。部件的形狀和連接由典型製造工藝決(jue) 定，比如銑削和電火花腐蝕。然後，濾波器的腔體(ti) 需要將兩(liang) 個(ge) 部分通過加工固定在一起。顯然這樣做的話重量會(hui) 比較重，需要裝配的部分也會(hui) 增加生產(chan) 時間，還需要額外的質量評估。3D Systems（GF合作夥(huo) 伴）為(wei) 該項目提供了相關(guan) 的服務，包括經過驗證的粉體(ti) 處理、材料密度控製、經過驗證的後處理和可靠的質量管控。

l技術邏輯之三

高附加值零件

當然3D打印用於(yu) 前麵所述的以塑代鋼的應用場景，打印點陣輕量化結構，實現結構一體(ti) 化等，本身也在創造附加值。

這裏麵談到的高附加值零件是指原本通過傳(chuan) 統製造工藝來實現的高附加值零件，而通過3D打印來實現，解決(jue) 了傳(chuan) 統製造工藝所難以克服的痛點。

例如衛星上用的光學係統器件需要能夠滿足高剛度、高強度和高穩定性的需求，從(cong) 而能夠承受惡劣的機械和熱環境，並確保光學性能。盡管傳(chuan) 統的光學組件製造工藝已經達到了極高的技術水平，但仍屬於(yu) 勞動密集型產(chan) 業(ye) ，在保證光學係統性能方麵仍存在挑戰。

增材製造技術能夠簡化光學器件的製造流程，縮短交貨期並降低材料消耗。更重要的是，增材製造技術能夠實現功能集成的優(you) 化設計方案，尤其在衛星光學係統製造領域，增材製造技術能夠滿足用戶對輕型光學係統不斷增長的需求，並實現下一代高附加值光學器件的製造。

通過增材製造技術開發的下一代光學儀(yi) 器中，將越來越多采用緊湊的功能集成設計，如集成隔熱，冷卻通道，局限的機械和熱接口，以及將光學功能作為(wei) 設備自身結構的一部分。緊湊集成化設計減少了組件裝配過程中出現問題的風險，同時開辟了製造冷卻光學係統，有源光學係統或自由曲麵的新方式。陶瓷增材製造技術的淨成形能力，還能夠提高準確性，改善集成/結合過程的質量。

在成就高附加值零件方麵，3D打印的應用還包括很多，除了打印極度複雜的結構、打印混合材料，3D打印因為(wei) 技術種類繁多也帶來了高附加值零件的創新空間，例如3D打印感應器、3D打印多層電路、3D打印電池等等。

l技術邏輯之四

輕量化的動力裝置

3D打印在動力裝備的技術發展邏輯概括為(wei) 兩(liang) 點：爆發力強、安全性高。提升爆發力方麵，3D打印釋放了設計與(yu) 製造的自由度，例如通過優(you) 化燃料與(yu) 空氣的混合比，提升動力裝備的動能；提升安全性方麵，例如通過3D打印冷卻通道或者是銅金屬，提升了動力裝備的快速散熱性能，獲得更高的安全性。

3D科學穀

國際上，在衛星領域，小衛星發射器製造領域對於(yu) 3D打印技術的應用頗為(wei) 活躍。

-小型推進係統

MPS-120係統包括3D打印的鈦合金活塞、推進劑儲(chu) 箱和增壓室。MPS-120可以兼容肼類推進劑和綠色推進劑。MPS-120的整個(ge) 係統與(yu) 一個(ge) 咖啡杯大小相當。MPS-120熱點火測試是驗證革命性推進方案的一個(ge) 重要裏程碑，它將使許多新的立方體(ti) 衛星任務成為(wei) 可能。

采用3D打印技術，該係統的製造僅(jin) 需一個(ge) 星期，而係統組裝隻需要兩(liang) 天時間。經驗證，MPS-120發動機的推進能力比所要求的高5倍以上，並幾次將推進劑儲(chu) 箱內(nei) 的燃料用盡以進行測試。經過這次驗證測試，該係統的技術成熟度和製造成熟度均達到6級，下一步是通過資格審定並實現太空飛行。

-塞式噴管發動機

2020年，德國Fraunhofer 研究所（Fraunhofer IWS）揭示了一種增材製造-3D打印塞式噴管發動機，該發動機用於(yu) 微型衛星發射器，其有效載荷可達350公斤。與(yu) 傳(chuan) 統設計相比，這款發動機在輕量化和燃料節省方麵具有明顯優(you) 勢。

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▲3D打印塞式噴管發動機

Fraunhofer

這個(ge) 小型發動機中的燃油噴射器、燃燒室和噴管是采用粉末床激光熔化（L-PBF）3D打印技術製造的。噴管由尖峰狀中心體(ti) 組成, 該設計旨在加速氣體(ti) 燃燒。

越來越開闊的衛星賽道

理解衛星的商業(ye) 發展邏輯，還需要還原到商業(ye) 航天以及國內(nei) 新基建的發展邏輯的背景之下。

▲中國航天增材製造應用成果（部分）

3D科學穀《3D打印與(yu) 航天研發與(yu) 製造業(ye) 白皮書(shu) 》

根據中金研報的分析，在新基建的推動下，這些商業(ye) 航天企業(ye) 的發展有望進入快車道，同時會(hui) 帶動中國衛星（衛星總裝），航天電子（航天測控等），航天電器（宇航連接器），海格通信（北鬥地麵設備），中國衛通（衛星通信）等產(chan) 業(ye) 鏈上下遊企業(ye) 實現快速發展。

根據3D科學穀，3D打印與(yu) 航天領域的方方麵麵在發生結合，而新的技術降低了商業(ye) 航天領域的準入門檻，催生了創業(ye) 企業(ye) 的誕生。

民營火箭領域，目前國內(nei) 有將固體(ti) 火箭和液氧甲烷作為(wei) 技術戰略的星際榮耀，走液氧煤油技術路線的深藍航天。衛星領域，國內(nei) 有以遙感衛星和窄帶通信衛星為(wei) 主的千乘探索，主要研發寬帶通訊衛星的銀河航天等等。

2020年的一個(ge) 顯著變化是，大量的太空任務是由經濟和國家安全驅動，而不僅(jin) 僅(jin) 是實驗室科研。隨著美國已經形成NASA負責深空探索，民營的SpaceX等公司負責降成本、商業(ye) 化的航空航天新格局，民營公司正扮演越來越重要角色。經緯創投亦在此領域積極布局，投資了星際榮耀、藍箭航天、銀河航天、長光衛星、天儀(yi) 研究院、遨天科技等企業(ye) 。

經緯創投

/開辟製造衛星的賽道

2015年起，以九天微星、微納星空、銀河航天、天儀(yi) 研究院等為(wei) 代表的商業(ye) 衛星企業(ye) 紛紛創立，並已經製造、運營了多顆衛星。

l商業(ye) 邏輯

那麽(me) 衛星的商業(ye) 發展邏輯是怎樣的呢？

狹義(yi) 的衛星互聯網即太空高速通信網絡，也就是星鏈正在做的事，利用多顆衛星形成寬帶通信網絡覆蓋。這一業(ye) 務其實更適合地廣人稀的國家和地區，解決(jue) 無基站區域的通信需求。廣義(yi) 的衛星互聯網是指，衛星作為(wei) 基礎設施，成為(wei) 綜合的業(ye) 務服務平台，通過搭載不同的載荷提供不同的業(ye) 務，與(yu) 5G、工業(ye) 互聯網、物聯網結合，催生豐(feng) 富的應用場景。如衛星搭載5G的載荷，可以滿足寬帶通信；搭載相機，能實現全球無縫遙感；搭載導航增強載荷，實現高精度定位，提升自動駕駛的安全性；搭載星基計算載荷實現分布式計算平台。當地球被成千上萬(wan) 顆這樣的低軌衛星包裹，萬(wan) 物互聯將成為(wei) 現實，最終匯聚海量的時空大數據，服務智慧城市和智慧地球。

新京報

l衛星互聯網經濟

那麽(me) 民營衛星企業(ye) 的發展如何呢？

拿銀河航天舉(ju) 例，從(cong) 2016年創立至今，銀河航天已經拿到了4輪融資，銀河航天致力於(yu) 通過敏捷開發、快速迭代模式，規模化研製低成本、高性能小衛星，打造全球領先的低軌寬帶通信衛星星座，建立一個(ge) 覆蓋全球的天地融合5G通信網絡。改善所有區域、每個(ge) 人的網絡連接狀況，提供經濟實用、快捷方便的寬帶網絡和服務。2020年10月銀河航天完成其新一輪融資，融資後，銀河航天投後估值近80億(yi) 元人民幣，成為(wei) 我國商業(ye) 航天及衛星互聯網領域第一隻獨角獸(shou) 企業(ye) 。

衛星互聯網正在成為(wei) 拉動全球經濟增長的新引擎。摩根士丹利報告指出，建造能夠提供低成本高速互聯網的衛星星座正在推動全球太空經濟增長。預計到2040年，全球太空經濟的價(jia) 值將達到1萬(wan) 億(yi) 美元；其中，衛星互聯網預計將占市場增長的50%甚至70%。目前，全球衛星互聯網已經進入快速部署階段。美國商業(ye) 航天公司SpaceX正在加快部署由近4.2萬(wan) 顆衛星組成的低軌星座“星鏈計劃”。我國衛星互聯網建設也正在提速，2020年1月16日，銀河航天首發星成功發射，該星不僅(jin) 是中國首顆通信能力達到24Gbps的低軌寬帶通信衛星，也是我國目前由民營企業(ye) 研製的唯一在軌運行的寬帶互聯網衛星。

經緯創投

銀河航天將在南通重點打造新一代衛星智能製造超級工廠，向年產(chan) 300-500顆衛星邁進，該工廠建成後將是我國商業(ye) 航天領域首條對標“星鏈計劃”——具備低成本、批量化製造新一代低軌寬帶通信衛星的智能生產(chan) 線，有望把中國新一代衛星批產(chan) 能力和美國的差距縮短到兩(liang) 年內(nei) 。

l新賽道上的新技術PK

根據3D科學穀的市場觀察，3D打印技術已成為(wei) 航天製造過程中的中流砥柱技術，3D打印技術正在催生航天製造的新賽道，不過這條賽道上隨著越來越多的新加入者，競爭(zheng) 會(hui) 愈發激烈。

▲商業(ye) 航天市場參與(yu) 主體(ti)

3D科學穀《3D打印與(yu) 航天研發與(yu) 製造業(ye) 白皮書(shu) 》

商業(ye) 航天增材製造方麵，最終的贏家不僅(jin) 要有核心的設計實力，還需要多點建立競爭(zheng) 壁壘，譬如在設備端從(cong) 設備開發商和材料開發商借力，通過開發特殊的3D打印設備及特殊的材料進一步拉高技術與(yu) 製造壁壘，同時還需要搭建軟件實力，將數據流中的價(jia) 值提取出來，將數據轉化為(wei) 企業(ye) 前進的動力“燃料”。

知之既深，行之則遠，3D科學穀為(wei) 業(ye) 界提供全球視角的增材與(yu) 智能製造深度觀察，有關(guan) 3D打印在增材製造領域的更多分析，請持續關(guan) 注3D科學穀《3D打印與(yu) 航天研發與(yu) 製造業(ye) 白皮書(shu) 》。