商業航天3D打印的五大熱點技術

以下內容來自：《2026年中國商業航天3D打印技術發展藍皮書》

聯合主編單位：工信裝備工程研究院、上海增材制造制造業創新中心、華中科技大學、飛而康快速制造科技有限責任公司、四川省增材制造技術協會、廣東省增材制造協會

第四章 商業航天3D打印的技術熱點與標桿案例

當前，商業航天與3D打印的結合正處在從“技術驗證”邁向“規?；瘧谩钡年P鍵轉折點，其核心驅動力在于降本、增效、賦能創新。

4.1 3D打印的五大熱點技術

4.1.1熱點技術

1:SpaceX猛禽發動機推力室3D打印一體化制造

場景名稱:SpaceX猛禽發動機銅合金推力室。

場景現狀:是全球可重復使用運載火箭核心動力部件制造的標桿級應用場景，也是航天級3D打印從“試驗驗證件”向“工業化量產復用件”跨越的核心落地場景。

現階段傳統火箭發動機推力室多采用銅合金內壁搭配鎳基合金外壁的分體焊接工藝，普遍存在三大行業難題:一是焊縫數量多、殘余應力集中，發射過程中反復交變熱應力、機械應力作用下易出現裂紋、滲漏，無法支撐火箭多次重復使用;二是復雜再生冷卻流道需分段拼接，流道一致性差、熱交換效率低，難以適配極端高溫高壓工況;三是生產工序繁瑣、研制周期長、制造成本高，無法適配商業航天規?；慨a、高頻次迭代的發展需求。

從技術落地現狀來看，SpaceX為支撐星艦(Starship)超重型可重復使用運載火箭的研發與量產，以猛禽全流量分級燃燒循環液氧甲烷發動機為載體，率先實現銅合金推力室3D打印一體化制造的工程化落地，是目前全球唯一實現推力室50次以上重復使用的商業航天企業。

表4-1為SpaceX猛禽發動機銅合金推力室3D打印量化指標。可以看出，通過3D打印一體化制造技術，徹底重構了火箭發動機推力室的研制與生產體系，實現了發動機性能、成本、周期、產能四大維度的全面躍升:

(1)核心性能全面突破:摒棄傳統分體焊接結構，實現推力室內壁、外壁、再生冷卻流道等核心結構一體化成型，無焊縫、無裝配界面，徹底消除焊縫滲漏、應力集中的失效隱患。

(2)制造成本大幅下降:材料利用率從30%提升至95%以上，單臺推力室制造成本降低70%，同時大幅減少工裝、焊接、裝配、檢測等中間環節成本，顯著降低了火箭動力裝置的量產門檻。

(3)顯著縮短研制周期:傳統推力室的研制周期需4-6個月，3D打印一體化成型技術將單臺推力室研制周期壓縮至1.5個月以內。

(4)實現規?；慨a能力:基于成熟的3D打印工藝包與全流程質控體系，SpaceX完成猛禽發動機推力室的批量化穩定生產，單月產能突破100臺。

隨著3D打印技術在推力室制造中的工藝迭代持續深化，后續將進一步優化銅合金材料體系與3D打印工藝參數，持續提升推力室的抗熱疲勞性能與結構穩定性，目標實現100次以上的重復使用能力。特別是通過行業推廣加速落地，通過該場景形成的銅合金推力室3D打印技術體系與標準框架，具備極強的可復制性與可推廣性。

可以預見，3D打印火箭推力室產業生態的持續完善將將牽引、推動航天級銅合金粉末材料、高端SLM打印裝備、工藝參數數據庫、全流程質控體系的全產業鏈協同發展。

4.1.2熱點技術

2:液體火箭發動機推力室擴張段批產制造

場景名稱:液體火箭發動機推力室擴張段3D打印一體化批產制造。

場景現狀:該場景是國內商業航天液體火箭發動機核心動力部件制造領域，3D打印技術從“單件試制”向“工業化穩定批產”跨越的標桿級落地場景，也是航天級大尺寸復雜結構3D打印技術實現工程化、規?；瘧玫暮诵耐黄茍鼍?。

液體火箭發動機推力室擴張段是火箭動力系統的核心承載部件，直接決定發動機的推力效率、熱控性能與可重復使用能力，如圖4-1所示。該場景針對行業痛點，由飛而康快速制造提供整體解決方案，采用華曙高科FS1521多激光金屬3D打印裝備，以316L不銹鋼為核心原料，率先實現米級推力室擴張段無焊縫一體化打印，產品最大成形尺寸達1013mmx1013mmx902mm，內部復雜再生冷卻流道實現隨形一次成形，無需后續拼接與釬焊;場景產品已完成全流程性能測試與熱試車考核，成功配套天兵科技THXX系列液體火箭發動機，正式進入穩定批產階段，是國內少數實現發動機核心大尺寸部件3D打印穩定批產的標桿項目。

實施成效:場景通過大尺寸復雜結構3D打印一體化成型技術的系統性突破，徹底重構了液體火箭發動機推力室擴張段的研制與生產體系，實現了結構可靠性、熱控性能、交付效率、可重復使用能力、經濟性五大維度的全面躍升:

(1)結構可靠性實現質的飛躍:徹底消除傳統釬焊工藝帶來的焊縫隱患，實現擴張段全結構無焊縫一體化成型，從根源上杜絕了焊縫泄漏、應力集中開裂的失效風險，泄漏與開裂風險歸零，全面提升了發動機核心部件的結構穩定性、服役安全性與環境適應性。

△圖4-1米級推力室擴張段局部流道細節3D打印結構與流程示意圖

(2)熱控與動力性能顯著提升:復雜再生冷卻流道可實現隨形自由成形，完全擺脫傳統釬焊工藝的結構限制，流道設計自由度大幅提升，可更高效地帶走發動機工作過程中產生的極端熱量，大幅提升了發動機的推力效率、工況穩定性與持續工作能力。

(3)研制與交付效率實現量級式提升:徹底擺脫了傳統工藝對模具的依賴，單臺擴張段的研發周期從傳統的數月壓縮至3周以內，整體交付周期縮短70%，同時支持設計方案快速迭代，無需重新制備模具，完美適配商業航天發動機高頻次迭代、快速定型、高密度發射的發展需求。

(4)可重復使用能力全面達標:產品已通過累計1000秒長程熱試車、6次連續點火考核，各項性能指標均穩定滿足設計要求，無結構失效、泄漏等故障，可穩定支撐50次以上的可重復使用需求，完全適配商業航天可回收火箭的核心使用要求。

(5)材料利用率與經濟性優勢突出:將材料利用率從傳統工藝的不足30%提升至90%以上，大幅減少了高端不銹鋼原材料的浪費;同時，無需模具、工裝、釬焊、裝配校正等多個中間環節，生產工序大幅縮減。

發展前景:后續將進一步優化316L不銹鋼材料的3D打印工藝參數，持續提升擴張段的結構性能、熱控效率與服役壽命，目標實現100次以上的可重復使用能力。同時，該一體化打印技術具備極強的可復制性，可快速平移到發動機燃燒室、噴注盤、渦輪泵殼體、燃氣導管等其他核心部件，實現發動機全核心部件的3D打印一體化制造，構建完整的液體火箭發動機3D打印技術體系。

表4-2所示為國產液體火箭發動機推力室擴張段3D打印核心指標，標志著我國在商業航天3D打印核心部件領域邁出了堅實的一步。

4.1.3熱點技術

3:氣動塞式發動機一體化制造

場景名稱:XRA-2E5氣動塞式火箭發動機無支撐一體化制造。

場景現狀:由漢邦激光聯合LEAP71，依托自主研產HBDE800大尺寸金屬3D打印設備，突破米級復雜結構無支撐打印技術，實現氣動塞式發動機一體化成形，如圖4-2所示。該場景創新采用環形燃燒室搭配中心塞體創新架構，取消了傳統的鐘形噴管，目前在200KN級液氧甲烷可重復使用發動機實現應用。

實施成效:通過無支撐打印技術，XRA-2E5發動機在制造環節實現了顯著的綜合效益。由于無需在流道內部布設大量輔助支撐，支撐材料節省達90%以上，由此帶來的后處理成本相應下降約50%。冷卻流道內壁因無支撐殘留而保持光潔通暢，冷卻效率較傳統方案提升約25%。整臺發動機采用一體化成形工藝，實現了零焊縫、零連接件，徹底消除了多部件拼焊帶來的泄漏風險與應力集中隱患，結構可靠性獲得根本性提升。在制造周期方面，從設計到成型的總耗時較傳統焊接拼裝方案縮短約40%，真正實現了“一次打印即成”的工程目標。

發展前景:構建人工智能計算設計與大尺寸增材制造融合的新型制造范式，可復制于新一代可回收發動機、氣動噴管、高性能推進系統，成為商業航天動力換代級制造底座。

核心量化指標:無支撐覆蓋率≥95%;周期縮短40%;成本降低50%;推力等級200kN。

4.1.4熱點技術

4:低軌衛星大尺寸平板結構件陶鋁復合材料3D打印一體化制造

場景名稱:低軌商業衛星大尺寸平板結構件陶鋁復合材料一體化制造。

場景現狀:伴隨全球低軌巨型星座建設提速，增強型平板衛星成為低軌通信、遙感星座的核心主力品類，其大尺寸平板主體結構、小尺寸集成化衛星艙體是衛星的核心承載部件，呈現出大尺寸、高集成、輕量化、高散熱、批量化的核心制造需求。

傳統衛星結構多采用鋁合金機加結合焊接拼裝的制造方式，行業長期面臨多項共性難題:一是制造周期長，無法適配商業衛星高頻次、批量化組網需求;二是重量瓶頸突出，傳統鋁合金密度達2.7g/cm3，結構重量占比過高，嚴重制約衛星有效載荷能力;三是系統集成度低，熱管、電纜、安裝座需分別制造后裝配，接口數量多、接觸熱阻大，無法滿足高功耗載荷的散熱需求;四是大尺寸變形控制難，3.8m級薄壁結構焊接過程中易產生不可逆變形，尺寸精度與結構穩定性無法保障;五是材料性能存在局限，陶瓷增強鋁基復合材料的工程化應用長期難以突破。

針對低軌商業衛星平板結構件的核心制造痛點，鴻擎科技提出以自主研發的納米陶瓷顆粒增強鋁基復合材料(陶鋁)為核心，搭配結構一體化設計、分段打印拼焊、多工藝協同優化以及全流程智能質控等技術，打造出一套完整解決方案。目前企業已率先實現3.8m級大尺寸衛星平板結構件的工程化落地，同時完成小尺寸集成化衛星艙體的批量驗證。

實施成效:表4-3為低軌衛星大尺寸平板結構件陶鋁復合材料3D打印核心量化指標，可見陶鋁復合材料的力學性能良好，比強度高，核心材料與構件性能實現突破性跨越，自主開發的納米陶瓷顆粒增強鋁基復合材料(陶鋁)，密度僅1.8g/cm3，較傳統鋁合金降低33%，常溫屈服強度達400MPa以上，較傳統鑄造鋁合金提升50%。

基于該技術，使得平板結構的研制與生產效率實現量級式提升，將單套3.8m級衛星平板結構的研制周期從傳統的數月壓縮至約25天。

發展前景:隨著該技術的迭代持續深化，目標實現4.5m級以上超大尺寸衛星平板結構的一體化成型。同時，將該技術向衛星熱控系統、載荷支撐系統、火箭結構件等全品類航天產品延伸。

隨著行業規?；茝V加速落地，該技術具備極強的可復制性與可推廣性，將全面適配國內低軌巨型星座的批量組網需求。

4.1.5熱點技術

5:太空原位3D打印在軌試驗

場景名稱:ESAISS空間站在軌金屬3D打印制造。

場景現狀:隨著空間站長期在軌運維、深空探測常態化推進，傳統太空裝備備件補給模式存在四大無法突破的行業共性痛點:一是補給能力嚴重受限，近地軌道空間站備件完全依賴地面貨運飛船補給，單次補給周期3-6個月;二是運輸成本極高，近地軌道每公斤物資運輸成本超2萬美元，深空探測運輸成本呈指數級增長;三是應急維修能力缺失，空間站在軌運行過程中出現的設備破損、備件失效問題，只能等待地面補給，嚴重影響空間站在軌運行的穩定性與安全性;四是深空探測載荷瓶頸，深空探測任務的載荷攜帶空間與重量嚴格受限，傳統制造模式已無法適配人類深空活動邊界持續拓展的發展需求。

為徹底解決上述痛點，歐洲空間局(ESA)聯合空客防務與航天、MTAerospace、OHB System等歐洲航天頭部企業，牽頭開發了全球首套空間站在軌金屬3D打印系統(Metal3DPrintingFacility)，并于2023年成功完成系統發射、空間站安裝與在軌調試，在國際空間站(ISS)哥倫布實驗艙內實現了全球首次空間站在軌金屬3D打印工程化驗證，成功完成了鈦合金標準試樣、空間站維修備件、結構連接件的在軌成型、性能測試與應用驗證，是目前全球唯一實現空間站在軌金屬3D打印全流程工程化落地的標桿項目，標志著人類正式進入太空原位制造的全新時代。

實施成效:該場景成功突破了微重力環境下金屬粉末床熔融成型、真空環境熔池穩定控制、無支撐結構成型、在軌全流程閉環質控等四大核心技術瓶頸，解決了微重力環境下粉末懸浮、熔池不穩定、成型缺陷率高、尺寸精度難控制等行業共性難題，實現了Ti-6A1-4V鈦合金結構件的在軌穩定成型，打印構件致密度≥99.9%，尺寸精度士0.1mm，力學性能與地面打印標準件持平，部分抗疲勞性能指標優于地面成型構件，全面驗證了微重力環境下金屬3D打印的工程化可行性。

依托該技術可對空間站破損構件與失效備件開展按需設計、原位打印及快速更換，無需依賴地面貨運補給。相較于傳統3至6個月的備件補給響應周期，當前可將整體處置時長壓縮至24小時以內，極大提升了空間站在軌維修保障效率。

依托該技術可對空間站破損構件與失效備件開展按需設計、原位打印及快速更換，無需依賴地面貨運補給。相較于傳統3至6個月的備件補給響應周期，當前可將整體處置時長壓縮至24小時以內，極大提升了空間站在軌維修保障效率。

該應用場景實現了多維度核心成本優化。在運輸成本方面，無需提前預制、發射海量冗余備件，僅攜帶金屬粉末原料即可完成在軌制備，同等功能構件運輸重量降幅超80%，單次近地軌道任務可降低運輸成本千萬美元以上。在研制周期方面，傳統地面備件從設計、制造、測試到入軌部署需三至六個月，在軌3D打印可在二十四小時內完成全流程成型制造，極大壓縮任務籌備時長。在任務容錯成本方面，針對航天器在軌突發故障，可快速定制并打印修復構件，有效規避因備件缺失導致的任務調整、提前終止等問題，顯著降低航天任務的運行風險與容錯成本。

發展目標:進一步優化微重力環境下金屬3D打印工藝參數與系統設計，持續提升打印精度、構件性能與成型效率，實現多材料復合打印、大尺寸結構件在軌成型、全流程無人化智能打印;空間站在軌運維規?；瘧萌媛涞?，形成成熟技術體系，將在ISS空間站實現規模化推廣應用，全面覆蓋空間站維修備件、非標工裝、實驗構件、防護結構等全品類構件的在軌制造。2028年前實現月球軌道在軌金屬3D打印工程化應用，2030年前實現月球表面原位制造系統部署。

表4-4為ESAISS空間站在軌金屬3D打印制造技術的主要量化指標，可見在軌SLM技術確有較大的技術優勢。