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开创航空航天领域大尺寸增材制造技术新时代

来源:光明网2020-08-25 15:37

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  作为第三次工业革命制造领域的典型代表技术,3D打印的发展时刻受到各界的广泛关注。而金属高性能增材制造技术(金属3D打印技术)被业内专家视为3D打印领域高难度、高标准的发展分支,在工业制造中有着举足轻重的地位。特别是在航空航天领域的应用,更是体现出显著的技术优势。

  5月5日,长征五号B遥一运载火箭在海南文昌航天发射场将我国新一代载人飞船试验船成功送入预定轨道。火箭上搭载了“3D打印机”,在飞行期间自主完成了连续纤维增强复合材料的样件打印,并验证了微重力环境下复合材料3D打印的科学实验目标。这是中国首次开展轨道3D打印试验,也是全球首次实现连续碳纤维增强复合材料的太空3D打印。

开创航空航天领域大尺寸增材制造技术新时代

  7月23日,天问一号开启我国首次自主火星探测任务,“天问一号”火星探测器上,安装使用了3D打印定制的零部件,其中包含相当一部分的金属3D打印零件(钛合金等),以其高强度、耐高温、耐辐射等各种高性能特征,满足在火星恶劣环境中正常工作运行的要求。

  3D打印的多种优势正在显现:缩短新型航空航天装备的研发周期,提高材料的利用率,节约昂贵的战略材料,降低制造成本,提升设计自由度,优化零件结构,减轻重量,减少应力集中,增加使用寿命,使得零部件更容易得到修复等。

  如今,中国的航空航天企业已经不再迟疑是不是该采用3D打印技术,而是集中精力探索如何通过3D打印技术保持航空航天制造技术的领先性,通过3D打印技术助力航空航天中国梦!

  高端制造云端计划——向着3D打印大型机的研制规划和面向实际应用进军

  金属3D打印技术在航空方面的应用主要是大尺寸、特殊材料、特殊结构和减重。

  减重对于航空业来说可是极为重要的突破与福音。以航空领域为例,减轻1kg的结构重量就可以带来4kg附加重量的减少,在整个飞机的运行寿命过程中则可以节省4.5万升燃油,换算下来可节省2.9万欧元的成本。

  减重的方式一方面通过使用质量更轻、性能更强的先进材料替代现有材料,另一种就是对现有飞机零部件进行基于3D打印的轻量化设计,包括对中空夹层、镂空点阵结构、一体化结构以及异形拓扑优化结构等。

  无论是3D打印的发动机零部件,还是飞机机舱中的大型零部件,在航空制造业所进行的大量3D打印探索中,轻量化设计都是这些零部件的共同特点。比如,空中客车已经在其A350 XWB飞机上安装了1000多种3D打印零件。在我国,这些金属增材零件也往往都是用在国之重器上。

  今年3月,国内金属3D打印龙头企业西安铂力特增材技术股份有限公司推出了大幅面激光选区熔化设备BLT-S450(可选单激光/双激光/四激光三种配置),将3D打印增材制造技术在航天液体动力领域大尺寸、复杂结构、高性能构件扩展应用和国产增材制造装备的研发升级又向前推进了一大步。

  它特别适应航空航天领域大尺寸零部件增材制造成形时间长、可靠性要求高等研制需求,使零部件的最大成形尺寸可达450mm×450mm×500mm,满足大推力重型运载液体火箭发动机关键部件大尺寸、复杂曲面精密结构成形、高工况等要求,为航天液体动力领域高质量发展赋能。BLT-S450还是面向未来智能工厂的金属增材制造集成系统,核心技术和应用价值都处于世界先进水平。而今年6月推出的BLT-S600(成形尺寸为600mmX600mmX600mm)则是全球首台三向成形尺寸均突破500mm的大尺寸、四激光金属增材制造设备。

  前沿开拓,引领创新——作为大尺寸增材制造技术不断创造新高的领军者

  不仅如此,大尺寸、轻量化3D打印的优势在民营航天领域也越来越得到凸显。在国外,Blue Origin采用3D打印技术打印出BE-4火箭发动机的壳体、涡轮、喷嘴、转子;美国航空航天局通过3D打印实现最为复杂的火箭零部件,并采用选区激光熔化的3D打印技术生产涡轮泵,与传统的焊接和装配技术相比,使原材料消耗减少45%左右。

  德国Fraunhofer研究所(Fraunhofer IWS)揭示了一种增材制造-3D打印塞式喷管发动机,该发动机用于微型卫星发射器,其有效载荷可达350公斤。与传统设计相比,这款发动机在轻量化和燃料节省方面均具有明显优势。

开创航空航天领域大尺寸增材制造技术新时代

  国内的零壹空间、深蓝航天、星际荣耀、千乘科技等新一代航天企业在应用3D打印方面也正获得不断的突破。其中,深蓝航天对主要功能部件进行优化设计,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,承担这一任务的正是来自铂力特大尺寸金属增材制造装备,分别完成了试车发动机喷注器壳体和推力室身部两个零件的金属3D打印工作。

  与此同时,已完成上天任务的千乘一号卫星整星结构采用面向增材制造的轻量化三维点阵结构设计方法,最终实现打印成形的亦是通过铂力特大尺寸金属增材制造设备。通过对比传统工艺我们可以看到,通过3D打印实现的千乘一号微小卫星的整星结构重量占比降低至15%以内,整星频率提高至110Hz(传统微小卫星结构重量占比为20%左右,整星频率一般为70Hz左右),整星结构零部件数量缩减为5件,设计及制备周期缩短至1个月。而整星结构尺寸超过500mm×500mm×500mm包络尺寸,也是目前最大的增材制造一体成形卫星结构。

开创航空航天领域大尺寸增材制造技术新时代

  事实上,大尺寸一直以来都是金属增材制造装备发展的重要方向,更大的成形尺寸可以显著扩大金属增材制造技术的应用范围,解决大尺寸复杂构件传统制造过程中的难点和痛点,还可以实现中小尺寸复杂构件的批量化生产,提供短流程、数字化、品质可控的先进解决方案。

  在大尺寸增材制造技术上不断探索突破并且引领创新的西安铂力特增材技术股份有限公司,在每推出一台新机型之前,都要保证经过40000小时以上的产品打印实测,好几轮的方案设计迭代,近50次的细节修正,设备单次不停机运行时间超过1000小时以上。在不断创造新高的道路上,铂力特一直没有停止过对工艺的研发及其在应用性能上的精益求精,从而推动行业向着更高性能装备和应用水平发展。对于铂力特来说,考验大尺寸金属增材制造设备的核心要素并不是“谁的尺寸更大”,而是设备能否保证长时间稳定运行、高效率连续生产以及成形零件内外部品质优异可控,赋能大尺寸复杂构件成形以及中小尺寸复杂零件的批量生产。

开创航空航天领域大尺寸增材制造技术新时代

  自2020年3月以来,铂力特先后将多次研发迭代、实测时间均在几万小时级别的BLT-S450、BLT-S600推入市场,围绕着符合市场真实需求的成形尺寸、质量管控软件、模块化管理和售后保障等多方面,不断精益、优化。

  8月25日,,铂力特推出BLT-S510,并在此之前完成了400mmX400mmX780mm的钛合金航空发动机叶片,以及尺寸为327mmX317mmX360mm、重量为4.2kg铝合金导轨支架等的成功打印。以钛合金航空发动机叶片为例,通过BLT-S510这一金属3D打印设备,铂力特在对航空发动机中空叶片进行原型优化设计的基础上,使内部镂空的风扇叶片一次成形,与传统机加工相比,加工周期短,节约原材料。铂力特BLT-S510经过两年匠心设计,积累五年使用经验,以及二十余台设备生产验证,在成形尺寸、分层厚度、激光器功率及数量、最大扫描速度、重复定位精度、预热温度、氧含量控制、铺粉效率等核心技术指标都达到国内外同类领先产品的水平;其出品零件具备通过航空航天重要质量认证的能力;多项自主研发软件技术功能,保障设备成形质量和稳定性;相较于很多具备大尺寸成形但没有经过生产验证的同类企业,铂力特最大的优势是经过长时间、多种零件结构、多种类型的验证,积累了丰富的生产经验、工艺参数经验,并具备专业、国际化的检测能力。铂力特检测中心的金属材料化学成分分析、材料力学性能检测、微观组织检测、几何量检测、X射线检测、荧光渗透检测等检测项目,其中,材料测试、无损检测、热处理、测量检验四项获得Nadcap认证,这表明该铂力特增材制造装备的特种工艺及检验检测技术水平、规范管理等均处于国际水平。

开创航空航天领域大尺寸增材制造技术新时代

  除此之外,铂力特BLT-S510还具备独特的自主研发的多振镜控制系统和质量追溯系统。多振镜系统实现了多振镜协同工作,使得搭接处成形尺寸误差最小化,搭接处熔融质量等同与或优于单振镜打印区的熔融质量。质量追溯系统包含高清摄像机、传感器、光栅尺、数据库软件等,实现打印过程实时监测并记录,保证零件打印过程全程可追溯。设备顶部安装的高清摄像机,对每一层的打印状态及铺粉状态进行拍照并保存,通过观察已保存的照片可以对零件所有打印层状态进行检查,从而在打印过程中就可识别孔隙缺陷、裂纹缺陷、吹风缺陷、打印缺陷等多种缺陷,有效保证设备高产值高成品率,为设备稳定运行保驾护航。不仅如此,设备还搭载了铂力特自主研发的BLT-MCS软件的同步出光、自动振镜拼接、故障智能诊断、智能粉量调整等标配功能,亦可增配扫描质量检测等功能和BLT-MES系统,帮助用户实现定制化智能管理。

  基于此,铂力特董事长兼总经理薛蕾博士在接受光明网访谈时说,“金属3D打印的材料、装备和工艺是互相耦合的,缺一不可。用户需要的,往往是集合了设备、工艺、材料和设计等元素的综合解决方案。深耕材料,自研设备,不断提高服务能力,布局全产业链,更好地将高水平服务能力与设备结合,打包形成高性价比的解决方案,为设备用户提供“交钥匙”一站式解决服务。”

  以铂力特为代表的3D打印金属增材装备与制造,必将革故鼎新、断鳌立极,每一次的技术攻关都必将激励着设计、工艺、制造的雄心与壮志。作为工业界皇冠上的璀璨明珠,航空航天制造领域集成了一个国家所有的高精尖技术,使国家战略计划得以实施,而金属3D技术作为一项重要的制造技术,更将随着材料技术、计算机技术以及激光技术的不断发展,在航天航空高端制造领域进一步绽放它的光芒,发挥国之重器的强大力量。让我们拭目以待。黄教恒

[ 责编:肖春芳 ]
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