▲ 3D打印火箭
© Relativity Space

 真正的数字线程

这份为期两年的研究合同来自美国俄亥俄州空军基地的AFRL材料和制造理事会。该项目将使用 Relativity 位于加州长滩的工厂的Stargate 3D AM 平台完成。

根据3D科学谷的了解，Relativity Space 的创始人Tim Ellis有一个深刻的洞见，他认为市场上普遍对3D 打印没有真正了解的是，3D打印对制造的颠覆性实际上更像是从燃气内燃机过渡到电动，或从内部部署服务过渡到云，3D打印是一项很酷的技术，但更重要的是，3D打印实际上是软件和数据驱动的制造和自动化技术。

根据Relativity Space的专利，对于定向能量沉积3D打印过程，通过人工智能可以进行过程纠错，并通过执行有限元分析(FEA)、有限体积分析(FVA)、有限差分分析(FDA)、计算流体动力学(CFD)计算或其任何组合来提供过程模拟数据。

而对于Relativity Space来说，此次的合作更具里程碑价值，AFRL将与 Relativity Space合作进行大型增材制造的实时缺陷检测，目的是探索各种现场过程监控和构建无损评估技术。美国国会在《国防授权法案》中指示美国国防部研究如何利用增材制造来加速航空航天零部件和车辆的生产。该项目正是在这一背景下成立的，此外，立法者还要求国防部建立一个国内供应商网络来帮助评估这些技术。

Relativity Space 将开发并验证一种实时缺陷检测系统，该系统将在3D打印过程中检测、定位和分类缺陷类型，然后这些数据将被聚合，从而实现真正的数字线程。

▲ 人工智能用于加工控制
© 3D科学谷白皮书

 人工智能

根据3D科学谷的市场了解，使用ML机器学习对AM增材制造过程的实时和近实时诊断预测是多方面的：

1. ML1-参数设置 -基于机器学习的优化算法提供工艺参数的最佳可能值，这些参数定义了最有可能避免缺陷的最佳加工路线，目前已经证明了使用强化学习（RL）算法的原位过程优化策略。

2.ML2-诊断 – 根据要求持续评估性能：基于机器学习的缺陷、异常和错误检测算法可用于诊断能力，以检测生产过程中的缺陷、异常和错误（即过程偏差）。通过与性能要求的比较，从感官数据构建过程，这些算法需要在线运行，基于对现场传感器信号的快速分析来提供即时警告。

3.ML23-预测 – 通过预测和制定控制决策来持续调节加工结果：基于机器学习的预测算法允许在构建期间预测过程控制，以确保增材制造过程保持在规范范围内以满足性能要求，例如， 避免、减轻或修复缺陷，或最大限度地减少过程偏差，这些算法也必须在线工作。

 更聪明的大脑

全球范围内，增材制造正处在人工智能为其插上腾飞翅膀的前夕。根据德国ACAM亚琛增材制造中心，3D打印企业在全世界范围普遍来说并没有实现很好的盈利，一个关键点是从应用的产业化角度来看，可以实现盈利的制造模式应该是具有经济效益的数字驱动的端到端的制造工艺链为核心，而当前3D打印陷入在一个两难的境地，往往是当规模扩大的时候，随之而来的生产成本以级数级别的增加，这反过来使得要实现盈利成为非常具有挑战的事情。增材制造将朝着软件和数据驱动的自进化智造技术方向发展，人工智能的应用将使得硬件拥有更“聪明的大脑“，更”灵敏的神经“以及”更准确的双手“，让加工变得更高效。

如何实现更好的盈利？根据《AI未来进行式》，只有当业界预见到一些高价值的应用能够落地时，那些与之相关的耗资巨大的技术才会有机会不断发展、走向成熟。如果一种技术能解决某种特别关键的需求，一些公司往往愿意为该技术在发展初期的巨额投入甚至亏损买单，以换取后期依靠这种技术进行扩张、获取更高利润的可能性。可以遇见，在人工智能成为智能制造的智能中枢的历史节点，科研机构在推动3D打印成为软件和数据驱动的自进化智造技术方面将获得不断的长足进步，而未来则属于那些看得到趋势所在，并将趋势融入进自身发展中的企业。

Relativity Space正是这类看得到趋势，并将趋势融入自身发展中的企业。

 更好的准备

根据3D科学谷的市场观察，早在2021年，Relativity Space专门申请了使用机器学习对增材制造过程进行实时自适应控制Real-time adaptive control of additive manufacturing processes using machine learning的专利。

根据Relativity Space的专利自动化对象缺陷分类和自适应实时控制的方法和系统可以提供响应于过程或环境参数的变化而使用的过程控制参数的快速优化和调整，以提高工艺稳定性、提高产量和所生产零件的质量。这些方法和系统适用于各种不同技术领域和行业的零件制造，包括汽车行业、航空工业、医疗器械行业、消费电子行业等。

根据3D科学谷的市场判断，在不久的未来，下一步的人工智能将跨越单台3D打印设备，实现设备与设备之间的协调与工艺优化。在软件的作用下，年轻的3D打印产业正期待着一个完全自动化的工厂，进行生产的不只是一个产品，而是几百个，甚至上千个的数字串行制造模式。

基于算法的人工智能正在赋能整个世界，3D打印行业发展正面临着历史性的腾飞机遇！

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Terran 1 火箭首飞
© Relativity Space

 Terran 1 火箭首飞任务实现

Terran 1 火箭首飞任务实现的意义：

- Terran 1 是世界上第一枚3D打印火箭。

- 首次证明3D打印火箭在结构上是可行的，能够承受飞行过程中的最大应力（最大动压点Max-Q）。

- Terran 1 火箭进入太空，越过卡门线(100公里以上)，成为西方第一个进入太空的甲烷火箭。

- 从发射到再入大气层，Terran 1 火箭收集了大量遥测数据，可用于验证假设并建立预测模型，有助于设计更大的可重复使用火箭人族 R号。

根据3D科学谷，Terran 1首飞的意义还在于证明了Relativity Space的颠覆性创新价值：

1. 改变了供应链。以往火箭制造很长的供应链，将供应商的需求降为全部自己3D打印制造几乎所有零件。零件数量减少100倍；
2. 改变了研发，研发速度提升10倍；
3. 人工智能用于制造，Relativity的3D打印本质是人工智能算法驱动的智能制造。

从 2026 年开始，Terran R 将从 Space Launch Complex 16 发射，这是Relativity Space位于佛罗里达州卡纳维拉尔角的轨道发射场。

 吸取TERRAN 1 精华的TERRAN R

根据北京中科宇航技术有限公司、中国科学院力学研究所，特殊工艺和复杂结构则可采用3D打印技术，减少零件和工艺非必要结构，例如“人族”火箭的结构和发动机使用专门的3D打印合金制造，与传统火箭相比，部件数量减少了99%。3D打印技术还通过最大限度地减少触控点和前置时间来提高系统整体的可靠性和运营成本，例如“电子”火箭的发动机所有主要部件都是3D打印的，包括其发动机腔室、泵、主推进剂阀和喷射器等。

Terran 1 的发射提供了非常有价值的数据，为Relativity Space的模型和模拟提供信息和锚定。基于 Terran 1 的设计、分析、开发、鉴定、认证和飞行测试方法可以转移到Terran R上：

• 设计用于数十个循环的3D打印结构和集成一体化结构
• 高性能 3D 打印液氧/甲烷推进系统
• 制导、导航和控制算法以及内部开发的软件
• 结构动力学和振动声学
• 空气动力学和空气热力学

© Relativity Space

Terran R具有两个接近身体长度的气动列板、四个独特的滑动机构着陆腿和四个驱动网格鳍片，这些功能优化了第一阶段的可重复使用性，使用户能够快速扩展发射节奏，同时提供更大的轨道有效载荷和比其他可重复使用火箭成本更低的架构。

© Relativity Space

Terran R 创新的第一阶段架构允许：

• 高迎角再入，减少再入燃烧所需的推进剂
• 空气动力学设计可实现更好的再入稳定性和改进的控制
• 被动驱动的着陆腿部署系统，该系统优雅简单、重量轻且可操作性强，可快速重复使用
• Terran R 尾部还配备了一个再入式隔热罩，可快速重复使用

 专为快速可重用使用而设计

从第一天起，Relativity Space的设计制造意图是可重复使用20 次的飞行器部件，通过可重复使用标准的战略发展和从飞行数据中快速学习，Terran R 的重用计划分解如下：

火箭的气动表面和边条经过独特设计，可在进入时实现大角度攻击。这减少了重复使用的有效载荷损失，减少了入口燃烧所用的推进剂。此外，独特的空气动力学特性可实现更稳定的入口轮廓，并在火箭周围控制气流分离。

根据3D科学谷的了解，Relativity Space 的创始人Tim Ellis还有一个精湛的洞见，他认为市场上普遍对3D 打印没有真正了解的是，3D打印对制造的颠覆性实际上更像是从燃气内燃机过渡到电动，或从内部部署服务过渡到云，3D 打印是一项很酷的技术，但更重要的是，3D打印实际上是软件和数据驱动的制造和自动化技术。

© Relativity Space

通过软件控制的3D打印过程，Relativity Space可以制造更为复杂的发动机零件。

Terran R 第一级的发动机组成包括四台位于四个起落架下方的固定式外部发动机和九台中央万向节发动机，LOx 推进剂罐位于甲烷罐的前方，由3D打印的圆顶隔开。

两个阶段都使用低温氦气加压系统，以在发动机未启动时通过减少空隙坍塌来实现更好的压力。该车辆还配备了内部开发的气动推进器级分离系统。

© Relativity Space

随着卫星技术的进步、对带宽的需求飙升，以及卫星星座占不断增长的市场的最大部分，到 2030 年总可寻址市场 (TAM) 每年超过 300 亿美元，Terran R 的开发是为了满足对大型星座不断增长的需求。凭借可满足各种需求的有效载荷，Terran R 支持从星座需求或单个地球同步卫星的专用有效载荷部署到多个客户的共乘配置。

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 12亿美金的发射订单

随着与 OneWeb 的多次发射协议的增加，Relativity 共有五个签署的其Terran R 火箭发射的客户，包括多次发射，订单总额超过 12亿美元。

OneWeb 是一个致力于搭建太空为基础的全球通信网络，总部位于伦敦，为政府、企业和社区提供连接。OneWeb正在布局一系列低地球轨道卫星星座，以提供价格合理、快速、高带宽和低延迟的通信服务，从而连接到物联网的未来和通向 5G 的途径

Relativity的Terran R 火箭将从发射综合体 16 发射 OneWeb 任务，这是Relativity位于卡纳维拉尔角太空部队站的站点，第一颗几乎完全由3D打印制造的火箭人族 1 号也将在今年进行首次轨道发射。

作为一种中型重型、完全可重复使用的运载火箭，Terran R 火箭专为不断增长的卫星星座发射需求和最终的多行星运输而制造，Terran R 为政府和商业客户提供了可负担得起的空间的访问权限。

OneWeb是星链的竞争对手，作为卫星连接领域的世界领导者，OneWeb的数百颗运行卫星已经在轨。很明显，市场需要更具破坏性的发射能力——Relativity开发的可反复发射的火箭Terran R 正好满足这一需求。

与 18 个月或更长时间的行业制造标准相比，Relativity 彻底简化的供应链颠覆了 60 年的航空航天制造。通过 3D 打印、自主机器人和机器学习，使该公司能够在不到 60 天的时间内打印出完整的火箭。

自六年前成立以来，Relativity 开发了一种新的航空航天制造技术堆栈，其核心是其Stargate 3D打印机，Relativity目前将上一代的3D打印速度又提高了 10 倍。这些新的第四代 Stargate 3D打印机位于Relativity新的工厂总部，Relativity在加州长滩的新超级工厂超过9万平方米，融合了 3D 打印、人工智能和自主机器人技术。

Relativity位于长滩的新总部
© Relativity

将火箭的零件数量减少 100 倍，研发速度提升10倍。Relativity 的生产能力目前达到了新的高度、新的规模和新的质量。通过过程监控，Stargate 3D打印机现在可以实时分析3D打印件，检测任何质量问题并使用预测功能打印符合航空航天尺寸公差的机身。

 订单背后的数字化控制技术

3D打印实际上是软件和数据驱动的制造和自动化技术，人工智能让Relativity以指数方式提高产品质量和缩短生产时间，降低成本，并实现传统航空航天制造之前无法实现的产品设计。

根据3D科学谷的市场研究，Relativity开发了用于对设计后自由形式沉积工艺或设计后接合工艺进行实时自适应控制的方法，对于定向能量沉积3D打印过程，通过执行有限元分析(FEA)、有限体积分析(FVA)、有限差分分析(FDA)、计算流体动力学(CFD)计算或其任何组合来提供过程模拟数据。

Relativity要预测或控制的过程控制参数包括材料沉积速率、沉积装置的位移速率、沉积装置的加速度、沉积装置的位移方向、作为时间函数的沉积装置的位置（工具路径）、沉积装置相对于沉积方向的角度、预期几何形状中的悬垂角度、沉积期间进入材料的热通量强度，热通量表面的尺寸和形状、保护气体流的流速和角度、基板的温度、沉积过程中的环境温度控制、沉积前沉积材料的温度等等。

过程模拟数据可以并入机器学习算法使用的训练数据集中，该算法能够自动分类对象缺陷、预测过程控制参数的最优组或序列、过程控制参数的调整。例如，可以使用诸如有限元分析（FEA）之类的过程模拟工具来模拟根据指定函数的过程控制。

过程表征数据可以并入机器学习算法使用的训练数据集中，该算法能够自动分类对象缺陷、预测过程控制参数的最优组或序列、实时调整过程控制参数，或其任何组合。可以将过程表征数据馈送到机器学习算法以便实时更新增材制造设备的过程控制参数。

可以将过程中或构建后检查数据并入机器学习算法使用的训练数据集中，该算法能够自动分类对象缺陷、预测过程控制参数的最优集合或序列、过程控制的调整实时参数等等。

作为一个垂直集成的技术平台，Relativity 处于软件定义制造这一不可逆的发展趋势的最前沿。Relativity的机器学习算法可以使用过程中检查数据（例如，自动缺陷分类数据）向操作员发送警告或错误信号，或自动中止增材制造沉积过程。

基于其强大的软件和数据驱动的制造和自动化技术，自2020 年以来，Relativity的规模扩大了两倍，现在在其长滩、范登堡、西雅图、华盛顿特区、斯坦尼斯和卡纳维拉尔角的地点拥有 800 多名员工，并已开始搬迁至可容纳 2,000 多名员工的新总部，新总部拥有冶金实验室、粉末床熔融3D打印机、任务控制中心以及数十台公司专有的 Stargate 3D 打印机。

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谷专栏是3D科学谷内容板块：谷前沿、谷透视、谷研究、谷专栏这四大板块之一。谷专栏基于3D科学谷愿景：贡献于制造业附加值创造，贡献于人类可持续发展。其目的是通过携手科研机构、科学家、企业研发与应用团队，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果。

根据3D科学谷，基于增材思维的先进设计与智能制造, 与新一代人工智能技术深度融合，形成高吞吐量、高产品质量控制能力、高产品复杂性的新一代智能制造技术，进而成为第四次工业革命的核心技术引擎。

国际上，根据3D科学谷的市场观察，结合人工智能驱动的控制，融资额超过 12 亿美元的3D打印火箭公司Relativity Space的 Stargate 3D 打印机不断优化生产，从而以指数方式提高产品质量和缩短生产时间，降低成本，并实现传统航空航天制造无法实现的产品设计。

机器学习是人工智能的一个子类别，被定义为使用算法检查数据并随后识别模式或确定解决方案的系统或软件。根据3D科学谷的市场观察，Relativity Space专门申请了使用机器学习对增材制造过程进行实时自适应控制Real-time adaptive control of additive manufacturing processes using machine learning的专利。

相关专利号为US10921782B2。本期谷.专栏，将分享这一科研成果。

3D打印可重复使用的火箭

 3D打印=软件与数据驱动的自动化技术

根据3D科学谷的了解，Relativity Space 的创始人Tim Ellis还有一个精湛的洞见，他认为市场上普遍对3D 打印没有真正了解的是，3D打印对制造的颠覆性实际上更像是从燃气内燃机过渡到电动，或从内部部署服务过渡到云，3D 打印是一项很酷的技术，但更重要的是，3D打印实际上是软件和数据驱动的制造和自动化技术。

在实际使用过程中，3D打印技术普遍被当成与传统制造技术“apple to apple”硬件相关的技术，人们普遍忽略了3D打印的核心是软件和数据，也低估了这项技术数字化制造的颠覆性本质在哪里。

© 3D科学谷白皮书

根据3D科学谷，3D打印发展的门槛在于通过软件突破一层层的产业化束缚，每一家制造业将变成以软件或数据为核心竞争力的企业。

 自适应控制

根据专利的描述，Relativity Space开发了用于对设计后自由形式沉积工艺或设计后接合工艺进行实时自适应控制的方法，该方法包括：

a)为对象提供输入设计几何；

b)提供训练数据集。

其中训练数据集包括：

(i) 针对多个对象的过去过程模拟数据、过去过程表征数据、过去过程中物理检查数据或过去构建后物理检查数据包括至少一个与步骤（a）中提供的物理制造对象不同的对象；

(ii) 通过为输入过程控制参数中的每一个随机选择值的重复过程生成的训练数据，并对输入过程控制参数的调整进行评分；

c) 传感器提供实时数据；

d) 根据数据，人工智能跟如下过程有关：

(i) 预测用于启动工艺控制参数的最优组的处理器，其中预测的工艺控制参数的最优组是使用已使用步骤 (b) 的训练数据集训练的机器学习算法；

(ii) 使用已使用步骤 (b) 的训练数据集训练的机器学习算法提供检测到的物体缺陷的实时分类，其中来自传感器的实时数据作为输入提供给机器学习算法，其中检测到的物体缺陷的实时分类学习是从机器学习算法输出的；

(iii) 提供指令以执行自由形式沉积工艺，其中机器学习算法同时实时调整一个或多个工艺控制参数沉积过程。

其中步骤(b)至(d)被迭代地执行，并且每次迭代的过程表征数据、过程中检查数据或构建后检查数据被合并到训练数据集中。

 硬件、数据、算法的结合

Relativity Space专利所描述的人工智能方法可以用于材料沉积3D打印工艺、立体光刻(SLA)、数字光处理(DLP)、熔融沉积建模(FDM)、选区激光烧结(SLS)、选区激光熔化(SLM) )、电子束熔化 (EBM) 或焊接工艺。

© 3D科学谷白皮书

机器学习算法包括人工神经网络算法、高斯过程回归算法、逻辑模型树算法、随机森林算法、模糊分类器算法、决策树算法、层次聚类算法、k-均值算法、模糊聚类算法、深度玻尔兹曼机器学习算法、深度卷积神经网络算法、深度递归神经网络或其任意组合。

数据与算法的结合

© 专利：US10921782B2

硬件方面使用以一项来实施：(i)包括沉积或接合装置、传感器和处理器的单个集成系统；(ii) 分布式模块化系统，包括沉积或接合装置、传感器、处理器，设备被配置为共享训练数据和真实数据。

训练数据集还包括由操作员在手动调整输入过程控制参数时生成的过程表征数据、过程中检查数据或构建后检查数据。

传感器包括激光干涉仪、机器视觉系统或检测由3D打印零件反射、散射、吸收、透射或发射的电磁辐射的传感器。

由传感器提供关于由所述物体反射、散射、吸收、传输或发射的声能或机械能的数据。

加工过程中的缺陷被检测为对象属性数据和参考数据集之间大于指定阈值的差异，通过向量机(SVM)或自动编码器算法进行分类。

 海量数据与算法的结合

根据《暗知识》，算法是引擎的设计，那么算力是引擎的马力，而数据是引擎的燃料。

根据Relativity Space的专利，对于定向能量沉积3D打印过程，通过执行有限元分析(FEA)、有限体积分析(FVA)、有限差分分析(FDA)、计算流体动力学(CFD)计算或其任何组合来提供过程模拟数据。

© Relativity Space

要预测或控制的过程控制参数包括材料沉积速率、沉积装置的位移速率、沉积装置的加速度、沉积装置的位移方向、作为时间函数的沉积装置的位置（工具路径）、沉积装置相对于沉积方向的角度、预期几何形状中的悬垂角度、沉积期间进入材料的热通量强度，热通量表面的尺寸和形状、保护气体流的流速和角度、基板的温度、沉积过程中的环境温度控制、沉积前沉积材料的温度等等。

过程模拟数据包括对沉积材料的整体温度或峰值温度、沉积材料的冷却速率、沉积材料的化学成分、沉积材料中成分的分离状态、几何形状的预测。作为一组指定输入过程控制的函数，沉积材料的特性、沉积期间材料的热通量强度、沉积材料的电磁发射、沉积材料的声发射或其任意组合参数。

工艺表征数据包括沉积材料的整体温度或峰值温度的测量值、沉积材料的冷却速率、沉积材料的化学组成、沉积材料中成分的分离状态、几何形状沉积材料的属性，速率材料沉积、沉积装置的位移速率、沉积装置的位置（工具路径）、沉积装置相对于沉积方向的角度、沉积装置状态指示器、沉积几何形状中的悬垂角度，预期几何形状中的悬垂角度，沉积期间进入材料的热通量强度，沉积期间离开材料的热通量强度，来自沉积材料的电磁发射，来自沉积材料的声发射，以及沉积材料的电导率、沉积材料的热导率、正在制造的产品的几何形状缺陷等等。

过程中或构建后检查数据包括来自表面光洁度的视觉或基于机器视觉的检查、表面裂纹和孔隙的数据。还包括机械性能测试的数据，例如如强度、硬度、延展性、疲劳、化学性质的测试，如成分、组成材料的分离、缺陷表征方法，包括通过 X 射线衍射或成像、CT 扫描、超声成像、涡流传感器阵列测量，或热成像等等获取的数据。

根据Relativity Space的专利，过程模拟数据可以并入机器学习算法使用的训练数据集中，该算法能够自动分类对象缺陷、预测过程控制参数的最优组或序列、过程控制参数的调整。例如，可以使用诸如有限元分析（FEA）之类的过程模拟工具来模拟根据指定函数的过程控制。

过程表征数据可以并入机器学习算法使用的训练数据集中，该算法能够自动分类对象缺陷、预测过程控制参数的最优组或序列、实时调整过程控制参数，或其任何组合。可以将过程表征数据馈送到机器学习算法以便实时更新增材制造设备的过程控制参数。

可以将过程中或构建后检查数据并入机器学习算法使用的训练数据集中，该算法能够自动分类对象缺陷、预测过程控制参数的最优集合或序列、过程控制的调整实时参数等等。

机器学习算法可以使用过程中检查数据（例如，自动缺陷分类数据）向操作员发送警告或错误信号，或自动中止增材制造沉积过程。

 智能迭代与人工操作的结合

在迭代地执行的增材制造过程的每次迭代之后，用过程模拟数据、过程表征数据、过程中检查数据、构建后检查数据或其任何组合来更新训练数据集。

训练数据集还包括由熟练操作员在手动设置增材制造的输入过程控制参数时生成的过程表征数据、过程中检查数据、构建后检查数据或其任何组合过程以生产一组指定的对象或零件，或者同时手动调整过程控制参数以响应过程参数或环境变量的变化以保持正在生产的对象或零件的指定质量。

总体来说，根据Relativity Space的专利自动化对象缺陷分类和自适应实时控制的方法和系统可以提供响应于过程或环境参数的变化而使用的过程控制参数的快速优化和调整，以提高工艺稳定性、提高产量和所生产零件的质量。这些方法和系统适用于各种不同技术领域和行业的零件制造，包括汽车行业、航空工业、医疗器械行业、消费电子行业等。

根据3D科学谷的市场判断，在不久的未来，下一步的人工智能将跨越单台3D打印设备，实现设备与设备之间的协调与工艺优化。在软件的作用下，年轻的3D打印产业正期待着一个完全自动化的工厂，进行生产的不只是一个产品，而是几百个，甚至上千个的数字串行制造模式。

基于算法的软件正在赋能整个世界，3D科学谷认为很快3D打印行业会发现，一家3D打印企业最好团队中有一些人精通算法，或者可以编写代码或者善于使用软件，否则这样的企业将变得寸步难行。

知之既深，行之则远，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察，有关3D打印在增材制造领域的更多技术分享，请持续关注3D科学谷的谷专栏系列以及3D科学谷白皮书系列。

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本期，透过Relativity Space这家初创企业在3D打印方面的技术逻辑，3D科学谷与谷友一起来感受3D打印如何成就航空航天自动化的圣杯。

© Relativity Space

深层颠覆，从技术源头开始

Relativity 由 Tim Ellis 和 Jordan Noone 于 2015 年创立，这两位年轻的航空工程师有着创造完全 3D 打印火箭的伟大想法。在 Relativity 成立之前，Ellis在Blue Origin工作，而Jordan在SpaceX 研究 Dragon太空舱。

Relativity 的首次发射定于 2022 年初，该公司将在试飞中将其 Terran 1 火箭（一种两级、全 3D 打印的火箭）发射到太空中，以显示其可行性，这将是首次发射几乎完全3D 打印的火箭。

 完全打印，完全可重复使用

Terran 1 是一款完全 3D 打印的两级运载火箭，根据 Ellis 的说法，这不仅仅是第一个完全 3D 打印的火箭，也是有史以来最大的金属 3D 打印物体。

Terran 1 高35 米，直径2.3 m，整个主要结构都被3D打印出来了。Terran 1 是 Relativity 的第一枚火箭，但Relativity已经在开发下一款火箭：Terran R。

下一步火箭必须是完全可重复使用的… …而3D打印正在助力火箭突破性能极限，实现可重复使用。Terran R既是完全 3D 打印的，又是完全可重复使用的。Terran R 的第一级、第二级及其有效载荷整流罩都将是可重复使用的。

Terran 1火箭与Terran R火箭拥有相同的架构，相同的推进剂，相同的工厂，相同的3D打印机，相同的航空电子设备和相同的团队。而且Relativity Space即使发布了Terran R，公司也计划长期保留Terran 1以满足不同用途的发射。

Terran R计划在 2024 年开始发射，Terran R 除了可重复使用外，还更大，可以携带更多。Terran R高66 m，宽4.9 m，Terran R的运载能力将是Terran 1的近20倍，可以向近地轨道发射超过20,000 kg的重量。

 竞争优势，从制造技术源头搭建

那Relativity为什么要通过3D打印来制造火箭？如何看待3D打印给Relativity带来的竞争优势呢？

类似于许多其他行业已经采用自动化和软件驱动技术所带来的制造能力的提升，3D 打印实际上只是一种将许多零部件合并在一起制造出来的自动化技术。基于3D打印这项技术，Relativity的目标是减少 100 倍的火箭零部件数量。

© 3D科学谷《3D打印与航天研发与制造业白皮书》

的确是从零件的数量角度来看，自从阿波罗开始时，航空航天的基本前提确实没有改变，和 60 年前一样，航空航天业的工厂充满了固定工具和数十万到数百万个单独的零件，所有这些都是通过再组装而成，这是跨越非常复杂的供应链的一个过程。每个航空航天制造工厂仍在使用巨大的固定夹具和非常复杂的供应链来制造产品，并且开发新产品需要很多年。如果想进行一些细微的调整和更改，则必须将所有这些都抛弃，这对于任何一家现有的企业来说都是沉重的取舍。

3D科学谷全球战略合作伙伴AMPower曾预测，到2023年，73%的增材制造航空航天零件将是最终产品零件（而不是用于原型用途）。

一个最直接的颠覆性是3D 打印“简化了供应链，从零件的角度看，零件数量呈量级的减少，从材料角度看，Relativity的整个运载火箭只用四种原材料制造，这样的颠覆，是的3D打印将成为航空航天自动化的圣杯技术。

不过，即使在国际层面看，Relativity 并不是第一家使用 3D 打印技术的火箭公司。SpaceX、波音和 Blue Origin 等公司已经集成了 3D 打印的不同部件。但目前看，该公司 3D 打印能力的规模是独一无二的。

虽然早期在航空航天领域使用 3D 打印已经看到打印用于系统内的小型组件，但 Relativity 正在努力将火箭的重要部分全部打印为一个整体，从而显着减少使用的单个部件数量。

凭借更少的零件、更少的步骤和更少的原材料，Relativity通过其独特的3D打印方法能够在从成本到制造火箭所需的时间等各个方面为公司带来巨大的优势。

如果考虑到需要购买的长期硬件，普通火箭需要两年时间才能制造出来。Relativity正在努力在 60 天内从原材料进门到运载火箭制造完成，实现惊人的火箭交付能力突破制造。

 软件定义制造,不可避免的转变

根据3D科学谷的了解，2021年，Relativity获得了投资者的大力支持。2021年初到2021年8月，Relativity在八个月左右的时间里筹集了大约 12 亿美元资金。

Relativity 在加州长滩建设新的 100 万平方英尺（超过9万平方米）的超级工厂见证3D打印颠覆了 60 年的航空航天业，结合人工智能驱动的控制，Relativity 的 Stargate 3D 打印机不断优化生产，从而以指数方式提高产品质量和缩短生产时间，降低成本，并实现传统航空航天制造无法实现的产品设计。

作为一个垂直整合的技术平台，Relativity 处于向软件定义制造不可避免的转变的最前沿。通过融合 3D 打印、人工智能和自主机器人技术，Relativity 的超级工厂是开创未来的工厂。

根据3D科学谷，商业航天增材制造方面，最终的赢家不仅要有核心的设计实力，还需要多点建立竞争壁垒，譬如在设备端从设备开发商和材料开发商借力，通过开发特殊的3D打印设备及特殊的材料进一步拉高技术与制造壁垒，同时还需要搭建软件实力，将数据流中的价值提取出来，将数据转化为企业前进的动力“燃料”。

正如3D科学谷在《3D打印与工业制造》一书中所谈到，每一个企业的转型都是非常艰难的选择，没有一个企业可以从一个山头直接”跳到”另外一个山头，这需要有一个”下山”和重新”上山”的过程。

而对于Relativity Space这样的创新型企业来说，不存在“下山”的过程，这种轻身上阵带来了明显的优势。面向打造完全可重复使用的Terran R，Relativity Space以独特的技术与先发优势仰望新的“山顶”。

根据3D科学谷的了解，2022 年1月27 日，Relativity Space 宣布该公司已被 NASA 选为该机构的VADR任务提供发射服务的12家公司之一，合同的订购期为 5年，所有 12 份合同的最高总价值为 3 亿美元。

VADR 合同提供范围广泛的联邦航空管理局许可的商业发射服务，能够将有效载荷从立方体卫星到 D级任务交付到各种轨道。这些小型卫星和 D类有效载荷可承受相对较高的风险，是技术和架构创新的理想平台，有助于 NASA 的科学研究和技术发展。

随着增加的NASA VADR 合同，Relativity 的第一颗火箭Terran 1号继续成为发射前历史上预售量最高的火箭。迄今为止，Relativity 已经从商业和政府实体获得了Terran 1号发射的合同，包括2022年晚些时候即将执行的 NASA VCLS-2 任务。

知之既深，行之则远，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察，有关3D打印在增材制造领域的更多分析，请持续关注3D科学谷《3D打印与航天研发与制造业白皮书》。

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五年发展历程回顾© Relativity Space

以指数方式提高效益

Relativity Space 是第一家 3D 打印整个火箭，并制造世界上最大的金属 3D 打印机的公司，新 Relativity Space 总部是商业太空行业最大的总部之一。Relativity Space 总部将拥有 2,000 多名员工、冶金实验室、DMLS 打印机、任务控制中心以及数十台公司专有的 Stargate 3D 打印机。

© Relativity Space

© Relativity Space

© Relativity Space

© Relativity Space

这是世界上最大的金属 3D 打印机。通过软件更改，Relativity 的 Stargate 打印机能够打印世界上第一个完全 3D 打印的运载火箭 Terran 1 及其完全可重复使用、完全 3D 打印的火箭 Terran R。

© Relativity Space

目前Relativity Space 拥有超过 450 名员工，在过去一年中增长了 300%，遍布长滩、范登堡、西雅图、华盛顿特区、斯坦尼斯和卡纳维拉尔角。该公司有望在年底前再招聘 200 多名员工。

 融合人工智能

随着扩张，Relativity 正在加倍投资未来工厂，新工厂以公司内部创建的世界上最大的 3D 打印机 Stargate 为中心。通过人机协作，Relativity 的超级工厂融合了 3D 打印、人工智能和自主机器人技术。

颠覆了 60 年的航空航天业，Relativity 从根本上简化了供应链，使该公司能够在不到 60 天的时间内用减少 100 倍的创新方式来打印其火箭。

结合人工智能驱动的控制，Relativity 的 Stargate 3D 打印机不断优化生产，从而以指数方式提高产品质量和缩短生产时间，降低成本，并实现传统航空航天制造无法实现的产品设计。

为航空航天的未来所重新构想的超级工厂令人兴奋。作为一个垂直整合的技术平台，Relativity 处于向软件定义制造不可避免的转变的最前沿。通过融合 3D 打印、人工智能和自主机器人技术，新的超级工厂将是开创未来的工厂。

60天打印完整火箭© Relativity Space

 完全可重复使用

人族 Terran 1 和人族 Terran R 在非常显着的方面不同：前者是可消耗的，后者是可重复使用的；前者专为小型有效载荷而设计，后者专为大型有效载荷设计。甚至 Terran R 的有效载荷整流罩也是可重复使用的，Relativity 设计了一个系统，当连接到第二级时，可以更容易地回收。

Relativity Space的人族 Terran R火箭有 216 英尺高，最大有效载荷能力为 20,000 磅（相比之下，SpaceX 的猎鹰 9 号火箭高约 230 英尺，最大有效载荷为 22,800 磅。）

Terran R 将在第一级使用 7 台新的 Aeon R 发动机，每台发动机都能够产生 302,000 磅的推力。用于生产 Terran R 发动机和火箭与 Terran 1 的是一致的。这些3D 打印机目前也生产为 Terran 1 提供动力的九个 Aeon 1 发动机，这意味着 Relativity 不必彻底重新配置其生产线来制造新的运载火箭。

根据3D科学谷的了解，建造一个人族 Terran R火箭大约需要 60 天。对于具有这种有效载荷能力的火箭来说，这是一个令人难以置信的速度。Relativity Space 表示，该公司最早将在 2024 年从其位于卡纳维拉尔角的发射场发射人族 Terran R火箭，并签署了第一个主要客户。

Terran 1 火箭将在2021年年底执行该公司的首次轨道飞行，不会携带任何有效载荷。Terran 1 的第二次发射计划于 2022 年 6 月进行，并将作为 NASA 风险级发射服务演示 2（VCLS 演示 2）合同的一部分将立方体卫星带到空间。

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3D科学谷认为Relativity Space 融资的背后支撑逻辑在于将火箭零件的数量减少了100倍，将开发速度提升了10倍，如此大幅度的精益化进化，这是人类历史上之前少有发生过的。

本期，3D科学谷与谷友一起来深入了解Relativity Space 从2016年至今的强势融资进程背后的发展逻辑。

© Relativity Space

从第一性原理出发

3D科学谷在《3D打印与航天制造业白皮书》中指出，3D打印开启了下一代经济性的火箭发动机制造之路。在《3D打印与工业制造》一书中谈到3D打印对于火箭的制造是颠覆性的，这体现在从设计到供应链和库存管理，再到质量控制等各个环节。

根据3D科学谷的了解，Relativity Space 的创始人Tim Ellis在当初面临两个选择，当时他们开发了自己的3D打印机，Relativity Space的“星际之门”Stargate设备是一款线弧3D打印机，是世界上最大的金属打印机，可以3D打印大约3.7 x 2.1米的油箱。

© Relativity Space

那么是将公司定位于3D打印机的销售？还是通过3D打印的技术影响一个行业？当时的创始人清晰的认为，销售3D打印机的难度很高，因为要改变的是产业的思维，而人的思维习惯是有惯性的，这很难改变，他们选择了后者，通过自己的3D打印机来生产产品。

Relativity Space 的创始人Tim Ellis还有一个精湛的洞见，他认为市场上普遍对3D 打印没有真正了解的是，3D打印对制造的颠覆性实际上更像是从燃气内燃机过渡到电动，或从内部部署服务过渡到云，3D 打印是一项很酷的技术，但更重要的是，3D打印实际上是软件和数据驱动的制造和自动化技术。

在实际使用过程中，3D打印技术普遍被当成与传统制造技术“apple to apple”硬件相关的技术，人们普遍忽略了3D打印的核心是软件和数据，也低估了这项技术数字化制造的颠覆性本质在哪里。这一点在德国亚琛所领导的未来增材制造技术futureAM项目中将深有体会，3D打印发展的门槛在于通过软件突破一层层的产业化束缚，每一家制造业将变成以软件或数据为核心竞争力的企业。

Tim Ellis © Relativity Space

 可回收带来划时代意义

Relativity Space E 轮的资金用于加速该公司的重型、完全可重复使用的两级火箭-人族 R 的生产。人族 R相对于人族 1 号来说是具有颠覆特征的，这也是Relativity Space 在E轮强势融资6.5亿美元的有力逻辑支撑。

© Relativity Space

正如预期的那样，人族 Terran 1 和人族 Terran R 在非常显着的方面不同：前者是可消耗的，后者是可重复使用的；前者专为小型有效载荷而设计，后者专为大型有效载荷设计。甚至 Terran R 的有效载荷整流罩也是可重复使用的，Relativity 设计了一个系统，当连接到第二级时，可以更容易地回收。

Relativity Space的人族 Terran R火箭有 216 英尺高，最大有效载荷能力为 20,000 磅（相比之下，SpaceX 的猎鹰 9 号火箭高约 230 英尺，最大有效载荷为 22,800 磅。）

左边是人族 1，右边是人族 R。© Relativity Space

Terran R 将在第一级使用 7 台新的 Aeon R 发动机，每台发动机都能够产生 302,000 磅的推力。用于生产 Terran R 发动机和火箭与 Terran 1 的是一致的。这些3D 打印机目前也生产为 Terran 1 提供动力的九个 Aeon 1 发动机，这意味着 Relativity 不必彻底重新配置其生产线来制造新的运载火箭。

根据3D科学谷的了解，建造一个人族 Terran R火箭大约需要 60 天。对于具有这种有效载荷能力的火箭来说，这是一个令人难以置信的速度。Relativity Space 表示，该公司最早将在 2024 年从其位于卡纳维拉尔角的发射场发射人族 Terran R火箭，并签署了第一个主要客户。

Terran 1 火箭将在2021年年底执行该公司的首次轨道飞行，不会携带任何有效载荷。Terran 1 的第二次发射计划于 2022 年 6 月进行，并将作为 NASA 风险级发射服务演示 2（VCLS 演示 2）合同的一部分将立方体卫星带到空间。

根据3D科学谷的了解，Relativity Space 的创始人Tim Ellis认为 3D 打印技术在另一个星球上建立工业基地是不可避免的，他希望能激励数十到数百家公司一起去完成这项使命。

 开启新征程

3D科学谷认为3D打印铺平了下一代火箭制造的道路，更多的公司包括Astra，Firefly Aerospace，Rocket Lab，Virgin Orbit等初创企业纷纷进入Relativity Space称为“软件驱动制造”的航天火箭3D打印领域。这些新来者也希望动用数百万美元来摆脱陈旧的思维方式，颠覆航天制造技术和商业版图。

根据德国Fon杂志，在中国，由21岁的胡振宇于2014年在北京成立的Link Space（翎客航天）一直吸引着人们的注意，它的新线1号是可重复使用的24米长的两级火箭。2016年，Link Space在一枚可重复使用的火箭（设计用于发射，然后返回地球）原型上进行了”悬停”测试。

2020年7月，中国航空航天业实现了又一个里程碑，北京星际荣耀空间科技有限公司的双曲线一号遥一长安欧尚号运载火箭（简称“SQX-1 Y1”）在中国酒泉卫星发射中心成功发射，按飞行时序将多颗卫星及有效载荷精确送入预定300公里圆轨道，发射任务取得圆满成功，实现了中国民营运载火箭零的突破。

总体而言，中国已加入成熟的航天国家行列：在2020年，中国超过俄罗斯，几乎与美国持平，完成了39次发射。自从中国于2014年开始允许私营公司参与以来，其国内太空部门一直在蓬勃发展。涉及的公司数量已从2018年的30家增加到一百多家。

“ 3D打印技术已成为火箭制造过程中的中流砥柱技术，” 3D科学谷创始人Kitty Wang（王晓燕）认为，3D打印技术正在催生火箭制造的新赛道，不过Kitty认为，这条赛道上会有越来越多的新加入者，竞争会愈发激烈，最终的赢家不仅要有核心的设计实力，还需要多点建立竞争壁垒，譬如在设备端从设备开发商和材料开发商借力，通过开发特殊的火箭制造3D打印设备及特殊的材料进一步拉高技术与制造壁垒，同时还需要搭建软件实力，将数据流中的价值提取出来，将数据转化为企业前进的动力“燃料”。

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本轮投资由 Fidelity Management & Research Company LLC 领投，新投资者包括由 BlackRock、Centricus、Coatue 和 Soroban Capital ，以及原有的投资者的参与。

Relativity Space

从小火箭到大火箭

Relativity Space 是第一家 3D 打印绝大部分火箭零件，并制造世界上最大的金属 3D 打印机的公司，根据Relativity Space, 3D打印完全 3D 打印的火箭 Terran R 之后，该公司的最新一轮融资使 Terran R 规模制造的计划和长期基础设施发展成为可能。

根据3D科学谷的市场了解，让火箭的零件数量减少100倍，让开发速度缩短10倍，这是Relativity Space与世界上多数应用3D打印技术的火箭制造商有所不同的是，Relativity不仅通过3D打印技术制造较小的火箭发动机零部件，还通过3D打印制造大量大型火箭部件。

 大量减少零件数量的颠覆性创新

Relativity Space通过金属3D打印制造至少火箭中95%的零部件，其中大约一半的3D打印零部件由Relativity Space自主开发的大型金属增材制造设备Stargate制造，另一半由其他品牌的选区激光熔化（SLM）设备制造。

作为一款两级、216 英尺高、直径 16 英尺、有效载荷整流罩长 5 米的火箭， Terran R 将完全可重复使用，并能够从 2024 年开始在公司的位于卡纳维拉尔角的发射场。Terran R 具有独特的航空特性、复杂的结构，并且能够发射比Terran 1多20倍的有效载荷。

Terran R 将配备七个3D 打印的 Aeon R 火箭发动机每台能够产生 302,000 磅的推力，而其上级装有一个 Aeon 1 vac 发动机。Terran R也代表了Relativity Space 公司建立人类多行星未来的使命的一大飞跃，最终为客户提供了一种能够在地球、月球和火星之间执行任务的点对点太空运输。

凭借全新的3D 打印生产方法，Relativity 为航空航天创造了一个新的技术堆栈，利用软件驱动的3D打印制造出传统制造中无法实现的独特设计几何形状，推动了前所未有的创新和颠覆。

根据Relativity Space的首席执行官兼联合创始人Tim Ellis，从五年前Relativity Space在 Y Combinator 成立之日起，就计划在其未来工厂平台上 3D 打印 Terran 1，然后是 Terran R——一个大 20 倍的完全可重复使用的火箭。

3D 打印带来了颠覆性创新——减少零件数量、提高创新速度、灵活性和可靠性——向市场推出下一代运载火箭。而这正是Relativity Space强势融资能力背后的逻辑。

 大踏步获取商业订单

Relativity 已从私人和政府客户那里获得了九份发射合同。根据3D科学谷的了解，在过去的六个月中，Relativity Space在商业和技术方面获得了发展的里程碑，包括与 Terran R 的第一个主要客户签约，而Terran 1 也继续获得商业领域的认可，包括最近宣布的与 TriSept 的客户合同、与美国国防部的第一份发射合同以及与 NASA 的风险级发射服务演示 2 (VCLS Demo 2) 合同。

在过去的一年里，根据3D科学谷的了解，尽管 COVID-19 对全世界整体经济产生了影响，但 Relativity 加快了招聘步伐，目前拥有 400 多名员工，并计划2021年再招聘 200 名团队成员。

颠覆了 60 年的航空航天业，Relativity 彻底简化的供应链，通过融合 3D 打印、人工智能、专有软件和自主机器人技术，Relativity 不仅仅颠覆了火箭制造的供应链，还为航空航天创造了一个全新的价值链。

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3D科学谷此前在《盘点世界范围内3D打印如何驱动下一代航天制造技术》一文中曾分享在制造火箭和人造卫星方面，3D打印-增材制造已变得不可或缺。工业3D打印在减轻重量和复杂设计方面的优势推动一代航天制造技术的发展。这就是为什么毫不奇怪的是，年轻的和成熟的公司都越来越依赖增材制造技术。这其中，Relativity Space自五年前成立以来已筹集了超过6.8亿美元的资金，目前估值23亿美元。根据3D科学谷的市场观察3D打印不仅在催生下一代火箭技术，也在催生新型的创业企业！

本期，3D科学谷通过Relativity Space打造的可重复使用的3D打印火箭Terran R来与谷友共同领略正在“变天”的航天制造新时代！

©Relativity Space自主开发的3D打印设备

完全可重复使用

 新技术突破挑战局限性

3D打印火箭制造商Relativity Space正在进行另一个大赌注：开发一种完全可重复使用的火箭，旨在与SpaceX的主力Falcon 9火箭的能力相比较。可以说Terran R是Relativity Space公司的Terran 1火箭的“真正的明显演变”，后者计划于今年晚些时候首次发射。

插图说明了左侧的Terran 1火箭与计划中的Terran R火箭之间的尺寸差异。

有趣的是，Terran 1火箭与计划中的Terran R火箭拥有相同的架构，相同的推进剂，相同的工厂，相同的3D打印机，相同的航空电子设备和相同的团队。而且Relativity Space即使发布了Terran R，公司也计划长期保留Terran 1以满足不同用途的发射。

一张合成图像显示了猎鹰9号火箭助推器升空，几分钟后又降落在发射台附近。

目前Terran 1每次发射的价格为1200万美元，旨在运载1,250公斤载重到低地球轨道。这使Terran 1在美国发射市场中处于中间位置，在价格和功能上都介于Rocket Lab的Electron和SpaceX的Falcon 9之间。

Terran R的运载能力将是Terran 1的近20倍，而Relativity Space的目标是一枚能够向低地球轨道发射2万多公斤的火箭。此前SpaceX表示其Falcon 9火箭可以发射22800公斤。根据SpaceX的宣传，猎鹰9号火箭的发射价格为6200万美元，而市场估算每枚火箭的发射成本约为2800万美元。

目前Terran 1和Terran R火箭获得了价值数十亿美元的合同，Relativity Space迄今宣布的Terran 1合同具有约束性的发射服务协议，也就是说客户要为火箭支付定金。

下一步火箭必须是完全可重复使用的… …而3D打印正在助力火箭突破性能极限，实现可重复使用。

Relativity Space预计Terran R将是“完全可重复使用”。目前，SpaceX的Falcon 9火箭可以部分重复使用，因为该公司降落了第一阶段（也称为助推器），并经常回收火箭的鼻锥。但是，SpaceX无法恢复Falcon 9的第二阶段，根据3D科学谷的深入了解Relativity Space的一项壮举旨在通过3D打印设计实现火箭的第二阶段可以重复使用这一目标，这是传统制造技术不可能做到的。

下一步，Relativity Space将能够3D打印更多奇特的，传统上难以制造的材料，从而使第一阶段和第二阶段的可重复使用性都更好。

 技术灵活性带来新制造高度

Relativity Space将制造重点放在3D打印上，这意味着该公司无需在其生产线上更改或添加新设备。

随着软件的变化，3D打印机将构建TerranR。这种制造的灵活性对于传统通过模具成型的制造方式来说是不可思议的。

©Relativity Space

今天走进的每个航空航天制造工厂仍在使用巨大的固定夹具和非常复杂的供应链来制造产品，并且开发新产品需要很多年。如果想进行一些细微的调整和更改，则必须将所有这些都抛弃，这对于任何一家现有的企业来说都是沉重的取舍。

正如3D科学谷在《3D打印与工业制造》一书中所谈到，每一个企业的转型都是非常艰难的选择，没有一个企业可以从一个山头直接”跳到”另外一个山头，这需要有一个”下山”和重新”上山”的过程。

对于Relativity Space这样的创新型企业来说，不存在“下山”的过程，这种轻身上阵带来了明显的优势。面向打造完全可重复使用的Terran R，Relativity Space以独特的技术与先发优势仰望新的“山顶”。

©Relativity Space还对发动机进行了高级测试，这是一台带铜燃烧室的引擎. Relativity Space

根据3D科学谷的了解，目前Relativity Space已经完成了将为Terran 1提供动力的Aeon 1引擎的数百项测试，而Terran R将采用该公司已开始开发的“称为Aeon R的新引擎”。目前Relativity Space还对发动机进行了高级测试，这是一台带铜燃烧室的引擎。

不久的未来，Relativity Space计划从佛罗里达的卡纳维拉尔角发射Terran R，该公司此前在那获得了Terran 1的发射场。

Relativity Space位于佛罗里达州卡纳维拉尔角LC-16的发射台正在施工中。

总体而言，Relativity Space将3D打印的可重复使用火箭视为“人类在火星上建立人类工业基地所需的必然技术”，这一目标类似于马斯克通过在红色星球上建立定居点“使人类成为多行星物种”的梦想。而Relativity Space认为，还需要激发数十到数百家公司来做到这一点。

3D科学谷全球战略合作伙伴AMPower曾预测，到2023年，73%的增材制造航空航天零件将是最终产品零件（而不是用于原型用途）。关于全球增材制造技术与市场发展趋势洞察，欢迎参加2021年5月27日国家会展中心（7.1号馆）举办的TCT亚洲3D打印、增材制造展览会期间3D科学谷创始人Kitty关于《全球增材制造市场技术趋势、市场概况及发展预测，中国市场典型产业化应用》的主题分享。

更多信息请参考：《3D打印与航天制造业白皮书》《Part4: 深度剖析NASA采用多合金增材制造和复合材料实现轻质可重复使用的推力室组件》《3D打印助力动力装备发展报告》

l 文章来源：3D科学谷内容团队

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而值得业界关注的是，猎鹰9号火箭和龙飞船2号大量使用了3D打印技术。正如3D科学谷在《3D打印与工业制造》一书中谈到的，3D打印技术已成为航天制造机构抢滩下一代经济性、可重复利用火箭发动机的重要“筹码”。国际上这些商业化航天企业在高性能火箭发动机部件制造中大胆尝试着3D打印技术。

这使得人们不仅好奇，3D打印在催生商业航天创业领域发挥了怎样的四两拨千斤的作用？国内外目前的进展怎样？

10亿C轮融资，90后掌舵的Relativity大踏步向前追求火箭梦

 3D打印新技术催生设计与制造一体化的商业新生代

摩根士丹利（Morgan Stanley）估计，到 2040年，全球航天产业的收入将从目前的 3,500亿美元发展到超过1万亿美元的市场规模。

3D打印开启了下一代经济性的火箭发动机制造之路。3D打印对于火箭的制造是颠覆性的，这体现在从设计到供应链和库存管理，再到质量控制等各个环节。

目前3D打印在火箭领域的应用集中在推力室的3D打印，发动机喷嘴头、整流罩，氧化剂阀体、泵等零件。其中，使用基于粉末床的选区金属熔化3D打印技术时，冷却管道将直接作为设计中的一部分，并在同一生产过程中与整个腔体一起成型，这是3D打印推力室的魅力之处。

l 国际

除了老牌的航天企业，根据3D科学谷的市场观察，利用3D打印迅速获得竞争优势的创业企业包括伊隆·马斯克（Elon Musk）创建的Space X, 以及亚马逊CEO杰夫贝索斯创立的Blue Origin，可能是该产业最大的参与者之一。除此之外，还有起步较晚的Launcher、Relativity Space、Rocket Lab、Tri-D Dynamics等初创公司。

Relativity Space
Relativity Space是一家非常年轻的公司，从Blue Origin和SpaceX身上吸取了经验，Relativity Space创始人团队是20出头的大学毕业生, 通过利用全面的3D打印方法，Relativity Space将全面自动化火箭的生产。这将改变发射行业对于火箭的交付时间、产品迭代速度和成本的看法。

Relativity Space正在进行火箭部件的3D打印和组装工作。完成后，火箭能够将1250千克的有效载荷送入低地球轨道，发射成本约为1000万美元。如果成功，这也将使该公司成为发射成本最低的公司之一。

Launcher
初创的航天企业Launcher 与合作伙伴3T、EOS 也开发了3D打印铜合金火箭发动机部件，3D打印技术的应用可以减少发动机零件数量，缩短开发时间，并且更加易于制造复杂功能集成的部件。

Launcher开发的铜合金3D打印推力室

Launcher发动机点火测试

Launcher 开发的3D打印铜合金（Cucrzr）发动机部件就集成了复杂冷却通道，这一设计将使发动机冷却效率得到提升。

视频：Launcher开发的铜合金3D打印推力室

Rocket Lab
根据3D科学谷的市场研究，近日，Rocket Lab所获批的专利US10527003B1(授权日2020年1月7日），详细的披露了Rocket Lab通过增材制造工艺来制造火箭推力室、用于火箭发动机的喷射器和涡轮泵。

Rocket Lab所获批的专利US10527003B1(授权日2020年1月7日）

用于火箭发动机的传统涡轮泵组件通常包括由一个或多个涡轮机械驱动的离心推进剂泵。该系统的控制非常复杂，因为需要从推进剂泵流出的少量推进剂来供应气体发生器，从而为涡轮机提供动力。

Rocket lab的专利确定使用增材制造技术用于涡轮泵组件生产可以极大地简化这种系统的组装，通过选区金属熔化工艺来制造各种部件将大大降低这种系统的组装复杂性。

3D打印-增材制造技术允许形成复杂的几何形状，而使用传统的减材加工技术或铸造/注射成型技术很难或不可能实现。3D打印技术的这种灵活性在火箭发动机设计领域提供了独特的机会。

l 国内

零壹空间
2018年5月17日，零壹空间自主研发的OS-X火箭“重庆两江之星”成功点火升空。这也是中国首枚“民营自研商用亚轨道火箭”，开创了中国商业航天历史上的崭新起点。

零壹空间所获批的内嵌点火装置的主动冷却式针栓喷注器专利CN 109630319A

根据3D科学谷的市场观察，零壹空间通过3D打印-增材制造技术开发了适用于内嵌点火装置的主动冷却式针栓喷注器。通过设计有主喷注孔以及设于第一阶台内的辅喷注通道，在喷注器本体上形成了两个层次的喷注形式。鉴于主喷注孔和辅喷注通道的结构形式不同，故其内所分配的推进剂流量是不同，但其内的推进剂皆沿喷注器本体径向喷射，能够与火焰喷射通道相配合，分别形成第一次燃烧和第二次燃烧，既有利于使总体燃烧更为充分，且在一定程度上抑制燃烧不稳定性的发生。

深蓝航天
2019年11月，中国的深蓝航天液氧煤油发动机再次进行了推力室长程试车，取得圆满成功。在推力性能方面，深蓝航天对主要功能部件进行优化设计，大量采用3D打印工艺，实现了国内液氧煤油火箭发动机推力室效率从95%到99%的技术跨越，达到了国际先进水平。

来源：深蓝航天

据悉，发动机喷注器壳体和推力室身部两个零件为金属3D打印，发动机喷注器壳体和推力室身部均为航天发动机关键零部件，零件内部有百余条冷却流道。

星际荣耀
北京时间2019年7月25日，北京星际荣耀空间科技有限公司（星际荣耀）公司的双曲线一号遥一运载火箭（SQX-1 Y1）在中国酒泉卫星发射中心成功发射，按飞行时序将多颗卫星及有效载荷精确送入预定300公里圆轨道，发射任务取得圆满成功。这次发射虽不是中国民营商业火箭公司所开展的首次发射任务，却是中国民营火箭公司首次成功的“入轨”发射。

星际荣耀所获批的总装结构、火箭发动机、液体火箭专利CN209838557U

根据3D科学谷的市场研究，通过增材制造，星际荣耀实现了用于火箭发动机的总装结构的一体打印成型，机体内部保护若干条流道，总装结构以内部成型流道的方式替代传统的管路件，减少了总装结构上的零件数量，同时节省了管路组装的步骤以及节省了管路购买的成本，实现了对总装结构组装难度的降低以及成本的减少。

涡轮盘、液体火箭打洞机、液体火箭专利CN210105926U

与传统的电火花等加工工艺相比，在两级叶片的间距过小或同级叶片间的排列紧密时，传统的工艺受操作空间以及加工精度等的影响，这种紧凑的涡轮盘难以加工。根据3D科学谷的市场观察，星际荣耀通过增材制造一体成型技术可十分方便的加工出上述紧凑型的涡轮盘，加工过程简单，时间短。

根据3D科学谷的市场研究，星际荣耀致力于研发的发动机包括在低成本、可回收方面极具竞争力的液体发动机。除此之外，星际荣耀还在研发姿轨控动力系统，相关部件包括单组元推力室、双组元推力器、切破式电爆阀。

其他
此外，中国航天空气动力技术研究院在3D打印符合材料空间压力容器方面，湖北三江航天在镍基高温合金喷注器方面，上海空间推进研究所在液体火箭发动机再生冷却身部及其槽道结构方面，西安航天发动机厂在高强度不锈钢三元闭式叶轮的整体制造、航天发动机换热构件的制备以及多内腔窄流道喷注器的成形方面，均获得了一定的成果。

 3D科学谷Review

金属3D打印已经成为航空和航空航天领域的一项关键技术，因为它的优势与该行业的关键需求保持一致，包括减轻重量、节省燃料、提高运营效率、部件整合、加速上市时间和减少对零部件的存储要求。

关于3D打印在航天发动机制造中的应用，3D科学谷曾发布过《3D打印与航天制造业白皮书》。3D打印可以将原本通过多个构件组合的零件进行一体化打印，这样不仅实现了零件的整体化结构，避免了原始多个零件组合时存在的连接结构（法兰、焊缝等），也可以帮助设计者突破束缚实现功能最优化设计。一体化结构的实现除了带来轻量化的优势，减少组装的需求也为企业提升生产效益打开了可行性空间。

此外，金属3D打印可以让打印部件达到传统方式无法达到的薄壁、尖角、悬垂、圆柱等形状的极限尺寸，让产品设计师有了更大的发挥空间。在进行飞行器中的复杂零部件设计时，设计师由过去以考虑零部件的可制造性为主，转变为增材设计思维下的实现零部件功能性为主。

由此出发，3D打印开启了下一代经济性的火箭发动机制造之路。3D打印对于火箭的制造是颠覆性的，这体现在从设计到供应链和库存管理，再到质量控制等各个环节。

值得重视的是这些航天零件的生产都不是单一的3D打印技术实现的，而需要跟其他传统加工技术相结合，根据GF加工方案，混合型生产包括增材制造技术，以及相关的后续流程如铣削、电加工（EDM）、线切割（WEDM）、激光纹理加工等完成零件成品所需的全部工艺流程，集成这些技术协同工作，组建“未来工厂”。在这方面，GF与3D Systems于2018年8月宣布了战略合作伙伴关系，通过把3D Systems在增材制造方面的创新经验和专业技术与GF加工方案在精密加工领域的领先地位相结合，使制造商能够更有效地生产精密公差范围内的复杂金属零部件，并降低运营总成本。

而想像从未有过的设计，成就从未存在过的产品，在这方面，安世亚太提出的正向设计完整解决方案，从以需求出发的架构性和颠覆性创新为基础，设计创新方法论及软件支持在产品全研发周期完成创新闭环。

3D打印技术已然成为火箭制造的“顶梁柱”，有关应用以及国际航天业在低成本、可回收火箭方面掀起的3D打印技术竞争，请参阅3D科学谷发布的《3D打印与航天制造业白皮书》

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