商业航天3D打印的五大热点技术

以下内容来自：《2026年中国商业航天3D打印技术发展蓝皮书》
联合主编单位：工信装备工程研究院、上海增材制造制造业创新中心、华中科技大学、飞而康快速制造科技有限责任公司、四川省增材制造技术协会、广东省增材制造协会

当前，商业航天与3D打印的结合正处在从“技术验证”迈向“规模化应用”的关键转折点，其核心驱动力在于降本、增效、赋能创新。

4.1 3D打印的五大热点技术

4.1.1热点技术

1:SpaceX猛禽发动机推力室3D打印一体化制造

场景名称:SpaceX猛禽发动机铜合金推力室。

场景现状:是全球可重复使用运载火箭核心动力部件制造的标杆级应用场景，也是航天级3D打印从“试验验证件”向“工业化量产复用件”跨越的核心落地场景。
现阶段传统火箭发动机推力室多采用铜合金内壁搭配镍基合金外壁的分体焊接工艺，普遍存在三大行业难题:一是焊缝数量多、残余应力集中，发射过程中反复交变热应力、机械应力作用下易出现裂纹、渗漏，无法支撑火箭多次重复使用;二是复杂再生冷却流道需分段拼接，流道一致性差、热交换效率低，难以适配极端高温高压工况;三是生产工序繁琐、研制周期长、制造成本高，无法适配商业航天规模化量产、高频次迭代的发展需求。

从技术落地现状来看，SpaceX为支撑星舰(Starship)超重型可重复使用运载火箭的研发与量产，以猛禽全流量分级燃烧循环液氧甲烷发动机为载体，率先实现铜合金推力室3D打印一体化制造的工程化落地，是目前全球唯一实现推力室50次以上重复使用的商业航天企业。

表4-1为SpaceX猛禽发动机铜合金推力室3D打印量化指标。可以看出，通过3D打印一体化制造技术，彻底重构了火箭发动机推力室的研制与生产体系，实现了发动机性能、成本、周期、产能四大维度的全面跃升:



(1)核心性能全面突破:摒弃传统分体焊接结构，实现推力室内壁、外壁、再生冷却流道等核心结构一体化成型，无焊缝、无装配界面，彻底消除焊缝渗漏、应力集中的失效隐患。

(2)制造成本大幅下降:材料利用率从30%提升至95%以上，单台推力室制造成本降低70%，同时大幅减少工装、焊接、装配、检测等中间环节成本，显著降低了火箭动力装置的量产门槛。

(3)显著缩短研制周期:传统推力室的研制周期需4-6个月，3D打印一体化成型技术将单台推力室研制周期压缩至1.5个月以内。

(4)实现规模化量产能力:基于成熟的3D打印工艺包与全流程质控体系，SpaceX完成猛禽发动机推力室的批量化稳定生产，单月产能突破100台。

随着3D打印技术在推力室制造中的工艺迭代持续深化，后续将进一步优化铜合金材料体系与3D打印工艺参数，持续提升推力室的抗热疲劳性能与结构稳定性，目标实现100次以上的重复使用能力。特别是通过行业推广加速落地，通过该场景形成的铜合金推力室3D打印技术体系与标准框架，具备极强的可复制性与可推广性。

可以预见，3D打印火箭推力室产业生态的持续完善将将牵引、推动航天级铜合金粉末材料、高端SLM打印装备、工艺参数数据库、全流程质控体系的全产业链协同发展。

4.1.2热点技术

2:液体火箭发动机推力室扩张段批产制造

场景名称:液体火箭发动机推力室扩张段3D打印一体化批产制造。

场景现状:该场景是国内商业航天液体火箭发动机核心动力部件制造领域，3D打印技术从“单件试制”向“工业化稳定批产”跨越的标杆级落地场景，也是航天级大尺寸复杂结构3D打印技术实现工程化、规模化应用的核心突破场景。

液体火箭发动机推力室扩张段是火箭动力系统的核心承载部件，直接决定发动机的推力效率、热控性能与可重复使用能力，如图4-1所示。该场景针对行业痛点，由飞而康快速制造提供整体解决方案，采用华曙高科FS1521多激光金属3D打印装备，以316L不锈钢为核心原料，率先实现米级推力室扩张段无焊缝一体化打印，产品最大成形尺寸达1013mmx1013mmx902mm，内部复杂再生冷却流道实现随形一次成形，无需后续拼接与钎焊;场景产品已完成全流程性能测试与热试车考核，成功配套天兵科技THXX系列液体火箭发动机，正式进入稳定批产阶段，是国内少数实现发动机核心大尺寸部件3D打印稳定批产的标杆项目。

实施成效:场景通过大尺寸复杂结构3D打印一体化成型技术的系统性突破，彻底重构了液体火箭发动机推力室扩张段的研制与生产体系，实现了结构可靠性、热控性能、交付效率、可重复使用能力、经济性五大维度的全面跃升:

(1)结构可靠性实现质的飞跃:彻底消除传统钎焊工艺带来的焊缝隐患，实现扩张段全结构无焊缝一体化成型，从根源上杜绝了焊缝泄漏、应力集中开裂的失效风险，泄漏与开裂风险归零，全面提升了发动机核心部件的结构稳定性、服役安全性与环境适应性。


图4-1米级推力室扩张段局部流道细节3D打印结构与流程示意图
(2)热控与动力性能显著提升:复杂再生冷却流道可实现随形自由成形，完全摆脱传统钎焊工艺的结构限制，流道设计自由度大幅提升，可更高效地带走发动机工作过程中产生的极端热量，大幅提升了发动机的推力效率、工况稳定性与持续工作能力。
(3)研制与交付效率实现量级式提升:彻底摆脱了传统工艺对模具的依赖，单台扩张段的研发周期从传统的数月压缩至3周以内，整体交付周期缩短70%，同时支持设计方案快速迭代，无需重新制备模具，完美适配商业航天发动机高频次迭代、快速定型、高密度发射的发展需求。
(4)可重复使用能力全面达标:产品已通过累计1000秒长程热试车、6次连续点火考核，各项性能指标均稳定满足设计要求，无结构失效、泄漏等故障，可稳定支撑50次以上的可重复使用需求，完全适配商业航天可回收火箭的核心使用要求。
(5)材料利用率与经济性优势突出:将材料利用率从传统工艺的不足30%提升至90%以上，大幅减少了高端不锈钢原材料的浪费;同时，无需模具、工装、钎焊、装配校正等多个中间环节，生产工序大幅缩减。
         发展前景:后续将进一步优化316L不锈钢材料的3D打印工艺参数，持续提升扩张段的结构性能、热控效率与服役寿命，目标实现100次以上的可重复使用能力。同时，该一体化打印技术具备极强的可复制性，可快速平移到发动机燃烧室、喷注盘、涡轮泵壳体、燃气导管等其他核心部件，实现发动机全核心部件的3D打印一体化制造，构建完整的液体火箭发动机3D打印技术体系。

表4-2所示为国产液体火箭发动机推力室扩张段3D打印核心指标，标志着我国在商业航天3D打印核心部件领域迈出了坚实的一步。




4.1.3热点技术

3:气动塞式发动机一体化制造

场景名称:XRA-2E5气动塞式火箭发动机无支撑一体化制造。

场景现状:由汉邦激光联合LEAP71，依托自主研产HBDE800大尺寸金属3D打印设备，突破米级复杂结构无支撑打印技术，实现气动塞式发动机一体化成形，如图4-2所示。该场景创新采用环形燃烧室搭配中心塞体创新架构，取消了传统的钟形喷管，目前在200KN级液氧甲烷可重复使用发动机实现
应用。

实施成效:通过无支撑打印技术，XRA-2E5发动机在制造环节实现了显著的综合效益。由于无需在流道内部布设大量辅助支撑，支撑材料节省达90%以上，由此带来的后处理成本相应下降约50%。冷却流道内壁因无支撑残留而保持光洁通畅，冷却效率较传统方案提升约25%。整台发动机采用一体化成形工艺，实现了零焊缝、零连接件，彻底消除了多部件拼焊带来的泄漏风险与应力集中隐患，结构可靠性获得根本性提升。在制造周期方面，从设计到成型的总耗时较传统焊接拼装方案缩短约40%，真正实现了“一次打印即成”的工程目标。

发展前景:构建人工智能计算设计与大尺寸增材制造融合的新型制造范式，可复制于新一代可回收发动机、气动喷管、高性能推进系统，成为商业航天动力换代级制造底座。

核心量化指标:无支撑覆盖率≥95%;周期缩短40%;成本降低50%;推力等级200kN。



4.1.4热点技术

4:低轨卫星大尺寸平板结构件陶铝复合材料3D打印一体化制造

场景名称:低轨商业卫星大尺寸平板结构件陶铝复合材料一体化制造。

场景现状:伴随全球低轨巨型星座建设提速，增强型平板卫星成为低轨通信、遥感星座的核心主力品类，其大尺寸平板主体结构、小尺寸集成化卫星舱体是卫星的核心承载部件，呈现出大尺寸、高集成、轻量化、高散热、批量化的核心制造需求。

传统卫星结构多采用铝合金机加结合焊接拼装的制造方式，行业长期面临多项共性难题:一是制造周期长，无法适配商业卫星高频次、批量化组网需求;二是重量瓶颈突出，传统铝合金密度达2.7g/cm3，结构重量占比过高，严重制约卫星有效载荷能力;三是系统集成度低，热管、电缆、安装座需分别制造后装配，接口数量多、接触热阻大，无法满足高功耗载荷的散热需求;四是大尺寸变形控制难，3.8m级薄壁结构焊接过程中易产生不可逆变形，尺寸精度与结构稳定性无法保障;五是材料性能存在局限，陶瓷增强铝基复合材料的工程化应用长期难以突破。

针对低轨商业卫星平板结构件的核心制造痛点，鸿擎科技提出以自主研发的纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料(陶铝)为核心，搭配结构一体化设计、分段打印拼焊、多工艺协同优化以及全流程智能质控等技术，打造出一套完整解决方案。目前企业已率先实现3.8m级大尺寸卫星平板结构件的工程化落地，同时完成小尺寸集成化卫星舱体的批量验证。

实施成效:表4-3为低轨卫星大尺寸平板结构件陶铝复合材料3D打印核心量化指标，可见陶铝复合材料的力学性能良好，比强度高，核心材料与构件性能实现突破性跨越，自主开发的纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料(陶铝)，密度仅1.8g/cm3，较传统铝合金降低33%，常温屈服强度达400MPa以上，较传统铸造铝合金提升50%。

基于该技术，使得平板结构的研制与生产效率实现量级式提升，将单套3.8m级卫星平板结构的研制周期从传统的数月压缩至约25天。
发展前景:随着该技术的迭代持续深化，目标实现4.5m级以上超大尺寸卫星平板结构的一体化成型。同时，将该技术向卫星热控系统、载荷支撑系统、火箭结构件等全品类航天产品延伸。

随着行业规模化推广加速落地，该技术具备极强的可复制性与可推广性，将全面适配国内低轨巨型星座的批量组网需求。




4.1.5热点技术

5:太空原位3D打印在轨试验
场景名称:ESAISS空间站在轨金属3D打印制造。
        场景现状:随着空间站长期在轨运维、深空探测常态化推进，传统太空装备备件补给模式存在四大无法突破的行业共性痛点:一是补给能力严重受限，近地轨道空间站备件完全依赖地面货运飞船补给，单次补给周期3-6个月;二是运输成本极高，近地轨道每公斤物资运输成本超2万美元，深空探测运输成本呈指数级增长;三是应急维修能力缺失，空间站在轨运行过程中出现的设备破损、备件失效问题，只能等待地面补给，严重影响空间站在轨运行的稳定性与安全性;四是深空探测载荷瓶颈，深空探测任务的载荷携带空间与重量严格受限，传统制造模式已无法适配人类深空活动边界持续拓展的发展需求。
      为彻底解决上述痛点，欧洲空间局(ESA)联合空客防务与航天、MTAerospace、OHB System等欧洲航天头部企业，牵头开发了全球首套空间站在轨金属3D打印系统(Metal3DPrintingFacility)，并于2023年成功完成系统发射、空间站安装与在轨调试，在国际空间站(ISS)哥伦布实验舱内实现了全球首次空间站在轨金属3D打印工程化验证，成功完成了钛合金标准试样、空间站维修备件、结构连接件的在轨成型、性能测试与应用验证，是目前全球唯一实现空间站在轨金属3D打印全流程工程化落地的标杆项目，标志着人类正式进入太空原位制造的全新时代。
      实施成效:该场景成功突破了微重力环境下金属粉末床熔融成型、真空环境熔池稳定控制、无支撑结构成型、在轨全流程闭环质控等四大核心技术瓶颈，解决了微重力环境下粉末悬浮、熔池不稳定、成型缺陷率高、尺寸精度难控制等行业共性难题，实现了Ti-6A1-4V钛合金结构件的在轨稳定成型，打印构件致密度≥99.9%，尺寸精度士0.1mm，力学性能与地面打印标准件持平，部分抗疲劳性能指标优于地面成型构件，全面验证了微重力环境下金属3D打印的工程化可行性。

依托该技术可对空间站破损构件与失效备件开展按需设计、原位打印及快速更换，无需依赖地面货运补给。相较于传统3至6个月的备件补给响应周期，当前可将整体处置时长压缩至24小时以内，极大提升了空间站在轨维修保障效率。

依托该技术可对空间站破损构件与失效备件开展按需设计、原位打印及快速更换，无需依赖地面货运补给。相较于传统3至6个月的备件补给响应周期，当前可将整体处置时长压缩至24小时以内，极大提升了空间站在轨维修保障效率。

该应用场景实现了多维度核心成本优化。在运输成本方面，无需提前预制、发射海量冗余备件，仅携带金属粉末原料即可完成在轨制备，同等功能构件运输重量降幅超80%，单次近地轨道任务可降低运输成本千万美元以上。在研制周期方面，传统地面备件从设计、制造、测试到入轨部署需三至六个月，在轨3D打印可在二十四小时内完成全流程成型制造，极大压缩任务筹备时长。在任务容错成本方面，针对航天器在轨突发故障，可快速定制并打印修复构件，有效规避因备件缺失导致的任务调整、提前终止等问题，显著降低航天任务的运行风险与容错成本。

发展目标:进一步优化微重力环境下金属3D打印工艺参数与系统设计，持续提升打印精度、构件性能与成型效率，实现多材料复合打印、大尺寸结构件在轨成型、全流程无人化智能打印;空间站在轨运维规模化应用全面落地，形成成熟技术体系，将在ISS空间站实现规模化推广应用，全面覆盖空间站维修备件、非标工装、实验构件、防护结构等全品类构件的在轨制造。2028年前实现月球轨道在轨金属3D打印工程化应用，2030年前实现月球表面原位制造系统部署。

表4-4为ESAISS空间站在轨金属3D打印制造技术的主要量化指标，可见在轨SLM技术确有较大的技术优势。