中國航天新突破，3D打印部件從3kg減重到600g，減重80%

晶格/點陣結(jié)構(gòu)由于重量輕、高強度比，逐漸成為航空航天產(chǎn)品設(shè)計的寵兒。南極熊之前報道，丹麥公司Adimant利用3D金屬打印技術(shù)制作了據(jù)說是迄今為止最大的金屬晶格結(jié)構(gòu)，重1.7公斤，體積134×28×500毫米，用在歐洲最大的衛(wèi)星制造商Thales Alenia Space的衛(wèi)星上。

而近期，由中國空間技術(shù)研究院采用微單元包絡(luò)體（即點陣結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)進行輕量化設(shè)計的飛行器結(jié)構(gòu)件，通過金屬3D打印技術(shù)研制成功，尺寸超過了Thales Alenia Space的衛(wèi)星所采用的金屬晶格結(jié)構(gòu)。這標志著國內(nèi)金屬選區(qū)熔化3D打印在成形尺寸極限、薄壁結(jié)構(gòu)、微單元包絡(luò)結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)方面取得重大突破。今天，我們不但為大家揭曉此飛行器結(jié)構(gòu)件的真面目，還將揭秘其背后的技術(shù)難題。

圖1：飛行器框形狀

據(jù)悉，此飛行器結(jié)構(gòu)件是采用鈦合金研發(fā)制造、包絡(luò)尺寸為長短軸在550至700mm的十字連接橢圓形結(jié)構(gòu)件（外形如圖1所示）。如果采用傳統(tǒng)制造工藝制造，零件內(nèi)部只能為實體結(jié)構(gòu)，重量將高達3公斤，無法滿足減重設(shè)計要求。

為達到減重的目的，設(shè)計人員在零件設(shè)計優(yōu)化過程中創(chuàng)造性地采用輕量化設(shè)計，用微單元包絡(luò)體結(jié)構(gòu)代替原有的實體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的理論重量遠低于實體結(jié)構(gòu)的重量，最終這樣一個大家伙成形零件的質(zhì)量僅為600余克！讓人不得不驚嘆于點陣結(jié)構(gòu)的神奇魅力（內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示）。

圖2：飛行器框結(jié)構(gòu)

由于傳統(tǒng)制造工藝無法實現(xiàn)這種微單元包絡(luò)體結(jié)構(gòu)的制造，最終，通過采取金屬3D打印技術(shù)成功研制出該飛行器結(jié)構(gòu)件。零件的質(zhì)量僅為600余克，相比傳統(tǒng)制造工藝減重80%左右。該鈦合金零件體密度僅為1g/cm3，與水密度相當，減重效果極為明顯，是尺寸獲得重大突破的點陣輕量化飛行器結(jié)構(gòu)件。眾所周知，飛行器通常由眾多復(fù)雜零部件構(gòu)成，而這僅僅只是其中之一。如果能在更多的零部件尤其是大型結(jié)構(gòu)件上實現(xiàn)晶格結(jié)構(gòu)及金屬3D打印，發(fā)射中的燃料成本將可以大大節(jié)約！這對于金屬3D打印在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用無疑具有里程碑式的重要意義。

據(jù)了解，此飛行器結(jié)構(gòu)件成形采用的金屬3D打印技術(shù)為激光選區(qū)熔化成形技術(shù)。激光選區(qū)熔化成型技術(shù)成形的零件致密性好，能夠成形高精度復(fù)雜異型金屬零件。因其具有組織致密、綜合性能優(yōu)良的特點，在國內(nèi)外已得到了普遍重視，并具有一定程度商業(yè)化應(yīng)用。
據(jù)項目相關(guān)專家介紹，采用激光選區(qū)熔化成形技術(shù)成形此結(jié)構(gòu)件的背后，存在以下技術(shù)難題：

1、該飛行器結(jié)構(gòu)件尺寸大，包絡(luò)體蒙皮壁厚較薄，厚度不足0.5mm，且內(nèi)部為微單元結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)尺寸精度要求嚴格；
2、激光選區(qū)熔化成形過程中，溫度梯度產(chǎn)生的熱應(yīng)力存在使零件變形的風險；
3、包絡(luò)體完全包絡(luò)微單元結(jié)構(gòu)，無法通過添加支撐來確保懸空的包絡(luò)體蒙皮的成形。
4、零件整體尺寸較大，超出國際金屬3D打印廠家一般設(shè)備成形尺寸極限。
5、重量要求嚴格，實物重量不得超過模型理論重量的3%。

據(jù)悉，為了獲得性能優(yōu)良、致密性高的輕量化飛行器結(jié)構(gòu)件，中國空間技術(shù)研究院經(jīng)過大量的工藝研究實驗，在大型薄壁微單元包絡(luò)體設(shè)計方面積累了豐富的經(jīng)驗。而鑫精合團隊作為承制方，經(jīng)過層層技術(shù)攻關(guān)，通過金屬3D打印技術(shù)成功研制出這一大尺寸3D打印輕量化飛行器結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品，一舉解決該結(jié)構(gòu)件的減重制造難題。

來源：3d打印世界
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