2026年商业航天行业系列六：3D打印，柔性制造的引擎，重塑火箭价值链

3D 打印是火箭制造的必选工艺

（一）3D 打印高度契合火箭制造，构建性能、成本、时间三维度优势

3D打印又叫增材制造，通过“累加”方式直接成形完整构件，最终经去支撑、热处 理等后处理得到成品。传统加工制造方法是减材制造，通过车削、刨、铣等工艺，将 原始材料“削减”加工成所需形状、尺寸和质量的器件。 从制造原理角度，3D打印增材制造高度契合火箭制造。如果要制造形状复杂或者大 型的结构件，需要先加工多个简单零部件然后再组装，以火箭发动机燃烧室组件加 工为例，根据NASA，该部件的加工需要经过塑性加工、机加工、焊接和组合等多个 步骤。若采用3D打印技术，不仅可以满足一体化成型需求，还可进一步进行功能集 成优化，完成更为复杂的加工需求。因此，3D打印从制造工艺的底层原理来说，是 火箭制造工艺的首要选择。

性能边界的突破需求使3D打印技术成为航天制造的优选项。目前运载火箭正追求更 大的运载能力和稳定回收复用能力，设计制造也正朝着超轻量化、适配复杂服役环 境、高度集成化及极高性能的方向快速迭代。先前传统航天结构构型简单、尺度单 一，已难以适配新需求，零件设计及制造流程中需进一步依赖拓扑优化、功能-结构 一体化等全新设计方法，进而催生出更多异形复杂的新形态结构，而金属3D打印技 术正是支撑这类复杂结构制造、突破传统工艺瓶颈的核心手段。

3D打印在火箭制造中具备显著的成本与时间优势。根据NASA，3D打印相比传统工 艺，可将火箭发动机部件的交付周期缩短2至10倍，成本降低超50%。根据NASA， 针对火箭发动机燃烧室零部件，制造方案可分为传统制造、初期3D打印制造和迭代 后3D打印制造三个阶段，迭代后的3D打印制造可在制造周期方面从传统制造的18个 月压缩至5个月（缩短72%），成本可从31万美元降低至12.5万美元（降低60%）。 根据Byron Blakey Milner的《Metal additive manufacturing in a erospace : Areview》， 3D打印技术能显著节省材料进而实现成本的节约，传统制造的“材料-成品”比例约 为20:1到40:1，但3D打印技术的比例在1:1到3:1之间。

3D打印在具备复杂、大型结构件加工优势下，还能规避传统工艺难以加工、交付周 期长的制造缺陷，最终在“零件复杂性、难加工合金、加工经济性”的三重维度下， 形成对火箭制造场景的精准支撑。

（二）3D 打印技术路径多样，航天领域以 PBF 和 DED 路径为主

3D打印技术路径主要分为7大类，适用材料是工艺的核心特征之一。根据华曙高科 招股书，增材制造工艺被分成七种基本类别，已形成多材料适配、多场景覆盖的路 径格局，核心主流路径包括粉末床熔融（PowderBedFusion）、定向能量沉积 （DirectedEnergyDeposition）、立体光固化、粘结剂喷射（BinderJetting）、材料 挤出、材料喷射和薄材叠层。其中由于PBF和DED的典型应用材料包含金属，两者 也成为了航天领域的主流应用技术路线。

航空航天领域用增材制造金属材料按化学成分主要分为六大类。航空航天高性能构件多用于极端苛刻的环境，要具有超强承载、极端耐热、超轻量化和高可靠性等特 性。根据化学成分，可将航空航天用3D打印金属材料划分为铁基、镍基、钴基、钛、 铝、铜和其他六大类。

材料既影响制造件性能也会进一步影响3D打印细分技术路线的选取。在制造件端， 材料需匹配制造件的性能需求，例如液体火箭发动机的涡轮机械需采用镍基高温合 金匹配发动机的高温工况。在技术路线选择方面，材料特性也将直接影响加工适配 的工艺，例如钛合金、镍基高温合金粉末主要适配SLM（选择性激光熔化）工艺。

制造件基础属性是筛选3D打印细分技术的底层逻辑。根据NASA，制造件基础属性 主要包含材料类型、整体尺寸、内部复杂度与特征分辨率等，从技术属性限制条件 出发，根据各细分类别的3D打印技术的特点，就可以选出合适的3D打印技术路径。例如针对高精度小型钛合金承力件，其“小尺寸+高分辨率+金属致密度”的属性天然 适配粉末床熔合类（PBF方向的SLM）技术；而大型火箭喷管“大尺寸+一体化结构” 的属性，则直接指向定向能量沉积（DED）技术。

SLM 与 DED 形成尺寸与精度的完美互补

目前3D打印在航空航天领域主要采用PBF（SLM）与DED两类技术。根据李晶《航 天领域3D打印材料及工艺技术研究现状》，从上述制造件四大维度来看，只有PBF （以SLM细分技术为主）与DED能够制造出高密度的复杂构型金属部件，满足航天 领域对材料的高性能要求并获得成功应用。SLM以高激光能量密度实现复杂拓扑精 密构件成型，DED则支撑大型整体化承力结构近净成型，二者均兼容钛合金、高温 合金等航天特种材料，满足极端服役性能要求；同时SLM适配小型精密件生产，DED 可突破设备幅面限制加工大尺寸部件，全面覆盖航天装备从核心精密件到大型结构 件的制造需求，成为适配航天场景的绝佳技术路径。

（一）PBF：熔融粉末实现构件制造，SLM 为应用核心

PBF粉末床熔融主要为L-PBF和EB-PBF两大细分方向。PBF本质是通过激光或电子 束等热源，对预先铺覆于成形床的金属粉末进行逐层选择性熔化与堆叠，最终实现 三维零件的一体化成形(简而言之就是铺一层粉然后熔一层，之后再铺一层熔一层进 行循环)。根据李晶《航天领域3D打印材料及工艺技术研究现状》和NASA，PBF在 航天中的应用主要分为激光粉末床熔融（L-PBF）与电子束粉末床熔融（EB-PBF） 两大方向，二者加工底层原理无本质区别，仅热源类型不同。 L-PBF技术以激光为核心热源，也称之为SLM工艺。从技术端来看，SLM制造原理 基本与PBF制造原理一致，SLM工艺过程是以激光作为热源，通过精准聚焦激光束对 预先铺覆于成形床的金属粉末进行选择性熔化，待熔化的粉末冷却凝固形成致密零 件层后，逐层堆叠完成三维构件的一体化成形。从适加工材料角度来看，SLM适用 材料涵盖钛合金、高温合金、铝合金、铜合金等航空航天常用材料。

现阶段SLM为PBF的技术路线代表。根据NASA，虽然SLM和EB-PBF是PBF主流路 线，但是绝大多数案例都采用SLM路径，我们认为这和加工材料有本质的关系。EBPBF仅兼容导电金属，EB-PBF的原理本身依赖于电荷，必须与允许电荷通过的材料 配合工作这使得它在加工难熔合金方面的优势也限制了他的适用范围。 两者虽在性能上有所差异，但本质上并未解决PBF技术尺寸限制问题。根据李晶《航 天领域3D打印材料及工艺技术研究现状》，性能与效率方面，SLM具备更高的成形 分辨率与工艺稳定性，可精准制备轻量化网格结构、异形管件、内部空腔等拓扑优 化部件；EB-PBF特别适合难熔合金、脆性金属间化合物的直接成形，其次EB-PBF 还具有能量利用率高、功率密度高、成形效率高（成形效率可达SLM的4倍）、真空 无污染及低应力等优点。两种技术虽有差异，但技术原理本质是一致的，核心劣势 尺寸约束并未改变。

（二）DED：核心优势聚焦大尺寸构件制造

定向能量沉积（DED）核心原理在于通过聚焦热源同步熔化输送的粉末或丝材，在 指定位置逐层沉积成形。根据李晶《航天领域3D打印材料及工艺技术研究现状》， DED与PBF的核心差别在于DED技术无需依赖粉末床不受空间尺寸限制，因此，可 以制造较大尺寸的零部件，还可以对现有零部件进行修补。 DED主要包含四类细分技术路径，LMD与WAAM为航天主流应用方向。从技术细分 来看，DED可按热源分为激光金属沉积（LMD）、电子束自由成形制造（EBFFF）、 电弧熔丝增材制造（WAAM）等，按材料形态可分为粉末型与丝材型两大类，其中 LMD与WAAM为航天领域的主流应用方向。 LMD技术以激光作为核心热源。根据明宪良《航天领域金属3D打印技术发展方向与 产业化建议》，激光熔化沉积LMD以高能激光作为热源，按照预定扫描策略，将同 步送进的粉末或丝材逐层熔化沉积，实现金属零件的直接制造。LMD具有材料逐点、 逐线、逐层堆积工艺特点，可实现大尺寸构件的高效率近净成形，但与PBF中的SLM 技术相比，两者技术路线的热源都为激光，成形尺寸大、效率高，但在成形精度、构 件复杂度方面LMD均不及SLM技术。

WAAM技术以电弧作为核心热源。根据明宪良《航天领域金属3D打印技术发展方向 与产业化建议》，电弧增材制造WAAM是以电弧为加工热源，通过熔化丝材，并使 其按照所规定的分层加工路径进行堆积，形成所需的大尺寸复杂零件。WAAM技术 一般以高温合金、钛合金等金属丝材为原料，适用于大尺寸复杂构件低成本、高效 快速近净成形。与前文介绍的LMS、EB-PBF和LMD相比WAAM的在成形尺寸、材料 利用率、成形效率等方面更有优势，但存在成形精度和表面形貌较差、成形件微观 组织粗大、二次机械加工等问题。

（三）SLM 与 DED 实现精度与尺寸的优势互补

SLM和DED的核心差异在于加工分辨率与加工尺寸。根据NASA，SLM和DED的核 心在特征分辨率和适用尺寸两个维度有非常显著的差异，SLM擅长加工精度要求高 且尺寸有限的复杂构型零部件，DED擅长大规格一体化部件。更进一步来看，SLM 的经典成型尺寸为10×10×10英寸和15.5×24×19英寸，与发动机整体尺寸相差较大 （如RL-10A-4发动机高1.17米），因此尺寸原因通常是选择SLM和DED的首要约束。

编辑：火腿肠