3D打印復(fù)雜鈦合金鑲件：挑戰(zhàn)傳統(tǒng)加工手段地位

航天發(fā)射過(guò)程中，將每公斤物品送入衛(wèi)星軌道的費(fèi)用約為20,000美元，節(jié)省每一克都有助于提高空間探索的效率。Materialise與全球數(shù)字服務(wù)廠商Atos的工程部門(mén)共同合作，重新開(kāi)發(fā)了一個(gè)廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星的鈦合金鑲件。

  

在設(shè)計(jì)或制造航天器部件時(shí)，最大的挑戰(zhàn)就是在不犧牲部件強(qiáng)度或性能的前提下優(yōu)化重量。鈦合金鑲件廣泛用于航空航天領(lǐng)域，在衛(wèi)星等結(jié)構(gòu)中用于傳遞高機(jī)械載荷。憑借精巧的優(yōu)化設(shè)計(jì)并通過(guò)金屬3D打印，新型鈦合金鑲件重量?jī)H為原來(lái)的三分之一，性能也得到了改進(jìn)。

鑲件置入夾層板結(jié)構(gòu)
鈦合金鑲件通常用來(lái)將其他設(shè)備與衛(wèi)星連接起來(lái)，這樣的鑲件承受很高的負(fù)載，需要提升起又大又重的結(jié)構(gòu)。這意味著它們必須具備很高的強(qiáng)度重量比，具有很高的強(qiáng)度和剛性，同時(shí)重量又必須非常輕。這些鑲件被置入在航空航天結(jié)構(gòu)中很常見(jiàn)的復(fù)合結(jié)構(gòu)夾層板里，通過(guò)與夾層板的結(jié)合將載荷轉(zhuǎn)移。

傳統(tǒng)鑲件通常采用鋁合金或鈦合金通過(guò)機(jī)加工制造，其磚塊形狀的內(nèi)部完全是實(shí)體，質(zhì)量很高。除了材料的高成本之外，重型部件還會(huì)增加每次發(fā)射時(shí)航天器的運(yùn)營(yíng)成本，金屬3D打印為航天結(jié)構(gòu)件減重提供了契機(jī)。

利用3D打印優(yōu)化設(shè)計(jì)
工程師面臨著改變傳統(tǒng)思維的挑戰(zhàn)。這個(gè)設(shè)計(jì)旨在滿足從概念階段到制造階段的所有要求。Atos依靠在航空航天工程和結(jié)構(gòu)仿真方面的專業(yè)知識(shí)，從內(nèi)到外設(shè)計(jì)了這個(gè)新型部件，提高了其整體性能。

通過(guò)3D打印，物體的內(nèi)部空間可以采用中空或輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。Materialise和Atos的工程師從減少部件內(nèi)部的材料使用量入手，研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用拓?fù)鋬?yōu)化和晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等先進(jìn)技術(shù)，將鑲件質(zhì)量從1454克減少到500克。

除了減輕重量外，團(tuán)隊(duì)還解決了原始設(shè)計(jì)中的熱彈性應(yīng)力問(wèn)題。由于這些鑲件在碳纖維增強(qiáng)聚合物夾板固化過(guò)程中已經(jīng)被安裝，因此會(huì)受到熱彈性應(yīng)力。優(yōu)化設(shè)計(jì)降低了這些應(yīng)力帶來(lái)的影響并改善了載荷分布，延長(zhǎng)了鑲件的使用壽命。

鑲件橫截面展示了內(nèi)部的輕量化結(jié)構(gòu)

不萊梅Materialise金屬3D打印工廠負(fù)責(zé)制作了新設(shè)計(jì)的兩個(gè)鈦合金（TiAl6V4）鑲件。金屬3D 打印已經(jīng)證明其在航空領(lǐng)域的巨大潛力，之前沒(méi)有任何手段可以達(dá)到如此之快的交付時(shí)間。

Atos西班牙機(jī)械工程總監(jiān)這樣評(píng)價(jià)：“減輕重量將有助于提高衛(wèi)星設(shè)備的有效載荷，并大量節(jié)省每次的發(fā)射成本。正是由于在如此短的時(shí)間內(nèi)，在金屬增材制造領(lǐng)域創(chuàng)造出這種高度復(fù)雜的產(chǎn)品，使得Atos和Materialise成為金屬3D打印解決方案供應(yīng)商中的佼佼者?！?br />
從過(guò)往的案例我們可以看出，materialise幾乎滲透進(jìn)入各種應(yīng)用領(lǐng)域，不斷挑戰(zhàn)傳統(tǒng)加工手段的地位，不斷開(kāi)拓3D打印在傳統(tǒng)制造業(yè)中的深刻應(yīng)用，推進(jìn)變革，推動(dòng)3D打印的發(fā)展。到目前看來(lái)，materialise只有一個(gè)。

來(lái)源：3D打印技術(shù)參考