增材制造，通常称为3D打印，是一种高度灵活的制造方法，能够轻松设计和创建复杂几何形状。这篇综述文章全面探讨了增材制造在航天领域应用的材料、方法和具体应用，同时指出了当前的研究空白并提出了未来方向。与传统的减材制造相比，增材制造在航天应用中的主要优势包括经济高效、无与伦比的设计自由度、高度可定制性、量身定制生产，以及能够处理多种材料（包括金属、聚合物、复合材料和陶瓷）。文章重点关注了空间级材料，如应用于电子设备到推进系统等领域的高性能合金、聚合物和陶瓷。文章详细分析了流行的金属增材制造技术，如粉末床熔融和定向能量沉积，以及非金属方法，包括熔融沉积建模和选择性激光烧结。通过具体案例研究，展示了增材制造如何实现零件整合、重量减轻以及生产具有集成功能的多功能部件。本综述将帮助读者了解空间增材制造的当前趋势，并理解其在下一代空间应用中的未来潜力，从原位制造到实现完全增材制造的航天器。

关键词：增材制造；空间应用；航空航天部件；原位制造；材料加工；设计优化；

增材制造已在航空航天和空间探索领域成为一种定义性的技术变革，它不仅仅是对传统工艺的渐进式改进，更代表了复杂部件和系统的构思、设计和制造方式的根本性转变。增材方法的核心吸引力在于其能够制造复杂的几何形状，而无需承受传统减材技术长期存在的材料浪费、工装夹具或多阶段制造的弊端。对于性能裕量狭窄且有效载荷每公斤成本高昂的航空航天应用而言，这些优势并非边缘性的，而是任务关键性的。

本综述强调了传统减材制造的局限性，后者仍然严重依赖机械加工、铸造和焊接。虽然这些技术成熟，但它们受到材料浪费高、装配要求复杂和设计灵活性有限的限制。通过传统途径制造的涡轮叶片或卫星支架可能需要多个加工阶段、广泛的检测和大量的废料，所有这些都增加了成本并降低了效率。增材制造通过实现自由形式制造、优化质量分布以及在单个整合单元内实现多功能性，颠覆了这些限制。这种重新构想航空航天部件架构的能力，使增材制造不仅仅是一种替代技术，它更是一种设计赋能器，释放了先前被认为无法实现的概念。

增材制造的优势远不止于材料效率。部件整合已成为增材技术带来的最具影响力的变革之一，它使得曾经需要数百个通过紧固件、焊接或钎焊连接的独立元件组成的部件，能够作为单一单元实现。这种方法不仅简化了供应链和装配程序，还消除了潜在的故障点。工业案例表明，将飞机导管、支架和燃油喷嘴整合为整体结构，可以实现超过40%的重量减轻和接近60%的成本降低。由此在可靠性、可制造性和维护性方面的改进，加强了在陆地航空航天和地外任务中广泛采用的理由。

本综述重点介绍了与空间领域相关的主要制造技术，其中粉末床熔融和定向能量沉积在当前金属应用中占主导地位。激光粉末床熔融技术具有高精度且与多种合金（从轻质铝到先进高熵材料）兼容，已成为关键航空航天部件的基准。其电子束对应技术，通常在真空环境中使用，在减少氧化和适用于大型钛部件方面提供了额外优势。定向能量沉积在修复高价值部件（如涡轮叶片）方面提供了多功能性，并越来越多地用于大区域增材制造。基于丝材或粉末的沉积的灵活性，与在轨道上或地外表面直接制造或修复结构的需求非常契合，这是一个目前正在积极研究的应用领域。

非金属工艺提供了互补的优势，熔融沉积建模、选择性激光烧结、立体光刻和PolyJet打印各自为减重、原型制造以及非结构但任务关键的部件制造做出了贡献。可用于空间应用的材料范围继续扩大，钛合金因其卓越的强度重量比和耐腐蚀性而仍然不可或缺。镍基高温合金对于推进和热管理应用至关重要，而铝合金继续支撑着轻质结构。功能梯度材料和多材料构建的引入进一步增强了增材制造的潜力，允许在单个部件内调整晶粒结构、残余应力和机械响应。

实践中已实现的应用说明了该技术的成熟度和潜力。带有随形冷却通道的火箭喷嘴、通过拓扑算法优化的飞机支架、以及从数十个零件整合为单一单元的燃油喷嘴，都证明了增材方法的颠覆性影响。朱诺号任务中使用的部件和空客飞机中的液压储液罐标志着增材制造部件从实验室原型向飞行合格硬件的过渡。在发动机制造中，热交换器、静子叶片和前轴承座等部件证明了将增材工艺扩展到关键大型结构的可行性。

尽管有这些明显的优势，但仍然存在重大挑战。分辨率限制、孔隙率、表面粗糙度以及需要大量后处理继续制约着打印部件的可重复性和可靠性。现有设备的成型体积仍然有限，排除了在单次构建中制造非常大结构（如完整的机翼或机身）的可能性。处理时间通常比既定方法慢，限制了大规模生产能力。适当粉末或丝材形式的原材料可用性也落后于设计愿望，而严格的认证标准引入了漫长的验证周期。

展望未来，增材制造在空间领域的发展轨迹无疑是向上的，但其全面实现需要持续的科学和工业投入。未来的进展取决于能够生产微尺度精密部件和宏观尺度结构部件的大面积增材平台的成熟。将人工智能和机器学习集成到过程监控中，有望通过在构建过程中实现闭环校正、减少缺陷和缩短认证周期，彻底改变可重复性。原材料设计的进步，特别是在高熵合金、难熔金属和多功能复合材料方面，将扩大可用于高性能空间系统的材料范围。

对可持续性的日益重视为增材方法提供了进一步的动力，因为与传统工艺相比，增材制造极大地减少了材料浪费和能源消耗。回收粉末、定制"买-to-飞"比率以及集成增材和减材混合系统的机会进一步增强了这种潜力。除了环境收益，这些方法还承诺成本效益以及快速调整生产线以适应不断变化的任务要求的能力。未来几十年的更广阔愿景涉及实现整个子系统，并最终实现完全或主要通过增材途径建造的完整航天器。航天器和飞机可能越来越多地作为集成的、整体的结构出现，具有嵌入式功能，针对重量、弹性和适应性进行优化，而不是将孤立的部件连接在一起。

总之，增材制造已在航空航天领域从承诺走向实践，但它仍处于其变革潜力的门槛上。通过对材料、过程控制和认证的持续投资，以及智能计算设计工具的集成，增材制造在空间探索中的作用将远远超出当前的应用范围。它不仅仅是对传统制造的补充，还将重新定义空间系统的架构，实现更轻、更强、更高效、更可持续的航空航天解决方案。因此，空间制造的未来与增材技术在设计生产结构中的持续成熟和整合密不可分。

在新质生产力加速重构全球制造业格局的背景下，增材制造技术正以颠覆性创新推动产业跃迁。2026上海国际增材制造应用技术展览会（AM CHINA 2026）将于2026年3月24-26日 在国家会展中心（上海）1.1馆 & 2.1馆 盛大启幕！