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2020年中國航天領域3D打印8大應用成就和案例

2020年中國航天領域3D打印8大應用成就和案例

2020年,中國航天取得了舉世矚目的成績。新一代運載火箭長征五號B、長征八號首飛成功,天問一號奔赴火星,新一代載人飛船實驗船成功驗證,探月工程“繞、落、回”三步走圓滿收官,北斗衛星系統全面組網......中國航天創造了一個又一個奇跡。2020年也是航天領域要求以質取勝的一年,3D打印技術在航天領域的表現雖尤為亮眼,但總結出8條應用進展卻著實不易。接下來,請跟隨3D打印技術參考一覽2020年中國航天領域3D打印8大應用成就和案例。

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1.全3D打印航天關鍵承力件通過飛行考核

2020年5月5日,中國航天科技集團長征五號B運載火箭首飛取得圓滿成功,同期一院211廠研制的全3D打印芯級捆綁支座順利通過飛行考核驗證。

捆綁支座是連接火箭芯級和助推器用于傳導助推器巨大推力的關鍵產品,飛行時承載200余噸集中力。這是航天領域迄今為止集中力承載環境最“惡劣”的3D打印產品,也標志著211廠又一增材制造技術方向實力躍居國內先進行列。

研制過程中,為了大幅減重,設計人員對捆綁支座這一關鍵主承力構件進行了系統優化,最終選用了以最優傳力路徑設計的鈦合金構件,有效減重200千克。面對大尺寸、高精度、高性能的制造要求,211廠增材制造中心從確保產品整體質量可靠性出發,放棄慣常采用的復合3D打印方案,選擇了技術難度更高的全3D打印。同時,為進一步提高產品性能,該中心選擇了工藝控制難度更大的極遠離平衡態成形方法。

經過近4個月的工藝摸索,增材制造中心解決了大尺寸零件成形易開裂等難題,于2018年3月成功研制出首件全3D打印芯級捆綁支座產品;2019年3月,正式產品交付。產品性能檢測結果顯示,經全打印的鈦合金材料靜載屈服強度略優于、延伸率遠優于國內同期工程應用水平,強塑積提升一倍以上,全產品剖切性能離散度達到鍛件水平要求。

2.新一代載人飛船返回艙防熱大底框架采用激光沉積3D打印制造

2020年5月8日,由中國航天科技集團空間技術研究院抓總研制的我國新一代載人飛船試驗船返回艙,在東風著陸場預定區域成功著陸!此次試驗船飛行任務的圓滿成功,實現了我國超大尺寸整體鈦框架3D打印制造的首次航天應用。

由航天五院總體部主導研制的直徑達4米的超大尺寸整體鈦框架全部采用3D打印工藝制造,成功實現了減輕重量、縮短周期、降低成本的目標。鑫精合激光科技發展有限公司是承擔該防熱大底框架增材制造工作的主要企業之一,在研制過程中,成功克服了大尺寸零件變形開裂、冶金缺陷等諸多難題。防熱大底框架結構是氣動力熱作用下最主要的承力部件,新一代載人飛船試驗船的成功返回標志著我國超大尺寸關鍵結構件整體3D打印技術通過大考。

新一代載人飛船試驗船返回艙及采用激光沉積3D打印制造的返回艙防熱大底框架實物

此外,試驗船還搭載有鉑力特公司為星眾空間3D打印的高強鋁合金立方星部署器,以及星馳恒動公司研制的60余件金屬3D打印產品。前者獨特的一體化結構有效提高了結構性能,同時減少了連接件,降低了整件重量;后者則涉及三維點陣類輕質材料結構產品、熱管理功能類產品、復雜形狀金屬件產品等多種類型,這是星馳恒動公司3D打印技術在第七個航天器型號中獲得的成功在軌應用,也是其研制的3D打印熱控分系統產品首次實現在軌飛行。

3.首次實現多種3D打印技術太空在軌驗證

在新一代載人飛船實驗船在軌飛行的2天零19小時內,以航天五院為代表的團隊完成了多項空間科學實驗和技術試驗,其中包括多種3D打印技術的太空在軌驗證,以及幾十件產品的性能檢驗。

其中,中科院空間應用中心研究團隊研制的“在軌精細成型實驗裝置”,成功克服太空失重環境導致的打印材料流變行為,創新采用立體光刻3D打印技術對金屬/陶瓷復合材料進行了微米級精度的在軌制造,為我國未來在軌制造零件提供了技術儲備。

由529廠—西交大團隊共同研制的“連續纖維增強復合材料太空3D打印裝備”實現了國際首次連續纖維增強復合材料太空環境增材制造技術。連續纖維增強復合材料是當前國內外航天器結構的主要材料,密度低、強度高,開展復合材料空間3D打印技術研究,對于未來空間站長期在軌運行、發展空間超大型結構在軌制造具有重要意義。

4.長征五號運載火箭大尺寸保護板零件采用3D打印技術制造

2020年7月23日,長征五號運載火箭在中國文昌航天發射場成功點火起飛,中國邁出行星探測的第一步——奔向火星!這是長征五號運載火箭首次執行應用性發射,成功將天問一號火星探測器送入預定軌道。其中,長征五號運載火箭上的一個重要部件——級間解鎖裝置保護板,由中國運載火箭技術研究院航天材料及工藝研究所通過采用華曙高科連續增材制造系統HT1001P解決方案加工而成。

級間解鎖裝置保護板直徑達5米,單批次加工件數較少,加工頻次較低,如采用傳統注塑方式需要使用模具,模具成本高,且模具的保存成本也較高。而采用3D打印技術,則無需開模、一體成型。華曙高科與航天材料及工藝研究所的成功合作,將保護板拆分成50件分別打印,每個部件尺寸約為370mm*100mm*125mm,最后將零件拼接而成,耗時僅48小時。較之原有鋁合金材質,該保護板采用3D打印高分子材料,安裝更為靈活便捷,表面的紅色噴漆具有防水、防鹽霧功能,可起到良好的防護作用。該部件的成功應用,實現了國產新型大幅面增材制造裝備的應用驗證。

5.“天問一號”攜帶百余件3D打印定制零部件飛向火星

據中國航天科技集團消息,天問一號探測器將在2021年2月10日左右,在臨近火星后實施近火制動,進入環火軌道。截至1月3日6時,中國首次火星探測任務天問一號火星探測器已經在軌飛行約163天,飛行里程突破4億千米,距離地球接近1.3億千米,距離火星約830萬千米

據媒體消息,“天問一號”火星探測器安裝使用了超過100個3D打印定制的零部件,其中包含相當一部分的金屬3D打印零件(如鈦合金等),具有高強度耐高溫耐輻射等各種高性能特征,可以滿足在火星惡劣環境中正常工作運行的要求。高能離子浮塵、空間碎片,要考慮結構的性能和特點,深空探測器結構包括高剛度、輕量化、尺寸穩定性、拓撲優化等等需求。

6.航天八院149廠成功研制國內首套滑塊白合金堆焊機器人工作站

據2020年8月消息,航天科技集團八院149廠成功研制國內首套滑塊白合金堆焊機器人工作站,用于客戶公司低速柴油機滑塊的專業化批量焊接加工,提升了重型船舶關鍵模塊生產的智能化水平。在2020年10月的央視新聞中,149廠的金屬3D打印技術被用于制造運載火箭產品。

149廠研發滑塊白合金堆焊機器人工作站,通過六自由度專用焊接機器人代替傳統三軸機床,采用直徑 4毫米高速送絲、高效TIG 焊接,實現了試件端的平面及凹槽環面的焊接軌跡規劃及自動焊接,并通過工藝優化,使白合金與基底的異種材料結合面具備良好的結合強度,同時堆焊層內部及表面質量無缺陷,有效提高焊接效率和焊接質量。

該機器人工作站的成功研制,使149廠在白合金堆焊領域取得新突破,證明了該廠在機器人集成和激光增材制造領域的實力,為后續承擔同類產品的研制奠定了堅實基礎。(詳情可查看3D打印技術參考視頻號)

7.【空間在軌增材制造】入選2020年宇航領域十大科學問題和技術難題

在9月18日的中國航天大會上,2020年宇航領域十大科學問題和技術難題發布,面向空間超大型天線結構的在軌增材制造技術與超大型空間光學裝置在軌組裝和維護技術被納入其中。這兩項技術,均屬于空間在軌制造范疇。

隨著我國在軌任務需求的增長和規模的擴大,在可以預見的未來將會有更多且更大的空間系統在軌運行,如大口徑空間望遠鏡、超大型通信衛星天線、超大型太空發電站等。

在大型構件的在軌組裝方面,受火箭推力、整流罩包絡及機構復雜度的影響,未來深空探測、天文觀測、戰略偵察等工程所需的大面積、大跨度空間結構一次性實現在軌布署有較大的難度??臻g在軌增材制造、在軌組裝可將單次/多次發射入軌的結構模塊、功能模塊等基本單元依序組裝成期望的大型空間系統。另一方面,航天器的質量往往非常大,但實際上在空間微重力環境下并不一定需要結構非常強,航天器的結構做的很重、很大,是因為要經受住航天發射過程中巨大的沖擊。如果能夠實現空間在軌制造,也將大大減輕航天發射的成本。

空間在軌增材制造屬于在軌制造的一種重要形式,它將有效解決未來空間超大型天線系統建設的難題,為超大型空間結構的在軌建設和維護提供有效手段,對推動我國天文觀測、空間太陽能發電等領域技術發展與應用具有重要作用。

8. 北京宇航推進借助3D打印制造火箭發動機關鍵部件

在民營航天方面,2020年3月,北京宇航推進科技有限公司自主研制的滄龍一號液氧/LNG液體火箭發動機(CL-1)全尺寸渦輪泵完成裝配及交付。這標志著滄龍一號發動機研制工作將正式邁入系統級調試和測試階段。

渦輪泵是火箭發動機中唯一的一個高速旋轉而又承受高溫、極低溫、高壓和劇烈震動等惡劣環境的關鍵部件。對此宇航推進在設計時采用了高可靠、低成本、重復使用的設計理念,同時兼顧了重量輕和高性能的指標要求。產品采用了同軸渦輪泵布局方案,各技術創新方案有效地提高了渦輪泵性能和成本優勢,產品在生產制造環節大量采用3D打印、特種成型、特種加工工藝,大幅縮短生產周期、降低產品成本,為后續批產奠定了堅實基礎。

渦輪泵是液體火箭發動機的心臟,滄龍一號發動機渦輪泵是一款大噸位雙低溫同軸渦輪泵,具備深度流量調節能力和高抗氣蝕性能,渦輪功率可達到7MW。

值得注意的,此前央視報道曾報道過火箭發動機渦輪泵渦輪盤制造技術取得突破,采用新型一體化制造技術取代過去的焊接工藝,由此制造的渦輪泵還將用于未來長征五號改進型以及長征九號。然而經筆者核實,該部件并非采用3D打印制造,而是采用了其它制造方式。(詳情可查看3D打印技術參考視頻號)

END

更多航天領域3D打印技術的應用多未被公開報道,3D打印技術參考可總結的內容也僅限以上這些,但無論哪一項應用都算得上重大突破,并具有標志性的意義。

3D打印技術在航天領域大有可為,但具體到特定的零件,新技術能用不能用,總要試一試,有成功自然也會有失敗。我們也相信,以上成功應用也是在多次的失敗后才實現的輝煌成果。2021年,中國將開啟空間站建設,相信會有越來越多的3D打印應用。

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