3D打印高新技術(shù)——航空航天器零部件

來(lái)源：中國(guó)有色金屬報(bào)

導(dǎo)讀：航空航天器設(shè)備是3D打印最具前景的應(yīng)用領(lǐng)域之一,。第一，航空航天設(shè)備具有多品種,、小批量的特點(diǎn),，尤其在試制階段許多零部件都需要單件定制，若采取傳統(tǒng)工藝則周期長(zhǎng)、成本高,，3D打印可以實(shí)現(xiàn)低成本快速成型,；第二，出于減重與強(qiáng)度要求,，航空航天設(shè)備復(fù)雜結(jié)構(gòu)件或大型異構(gòu)件的比例越來(lái)越高,，若采用傳統(tǒng)的“鍛造＋機(jī)加工”方式，則所需工序繁多,、工藝復(fù)雜,，甚至根本無(wú)法直接加工，而3D打印在復(fù)雜部件加工方面具有明顯優(yōu)勢(shì),；第三,，采用傳統(tǒng)工藝加工飛機(jī)零部件的原材料利用率僅約10%，其它部分都在鑄模,、鍛造,、切割和打磨過(guò)程中浪費(fèi)了，而3D打印的增量制造原材料利用率可達(dá)到90%以上,。

△梅爾德公司打印的3D鋁合金環(huán)件

鈦合金在國(guó)外3D打印航空航天器產(chǎn)品中應(yīng)用

航空航天器設(shè)備是3D打印最具前景的應(yīng)用領(lǐng)域之一,。第一，航空航天設(shè)備具有多品種,、小批量的特點(diǎn)，尤其在試制階段許多零部件都需要單件定制,，若采取傳統(tǒng)工藝則周期長(zhǎng),、成本高，3D打印可以實(shí)現(xiàn)低成本快速成型,；第二,，出于減重與強(qiáng)度要求，航空航天設(shè)備復(fù)雜結(jié)構(gòu)件或大型異構(gòu)件的比例越來(lái)越高,，若采用傳統(tǒng)的“鍛造＋機(jī)加工”方式,，則所需工序繁多、工藝復(fù)雜,，甚至根本無(wú)法直接加工,，而3D打印在復(fù)雜部件加工方面具有明顯優(yōu)勢(shì)；第三,，采用傳統(tǒng)工藝加工飛機(jī)零部件的原材料利用率僅約10%,，其它部分都在鑄模、鍛造,、切割和打磨過(guò)程中浪費(fèi)了,，而3D打印的增量制造原材料利用率可達(dá)到90%以上。

波音公司是率先將3D打印技術(shù)用于飛機(jī)設(shè)計(jì)和制造的國(guó)際航空航天器制造企業(yè)，已累計(jì)利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)了300多個(gè)不同的小型零部件,。

2012年,，通用電氣公司收購(gòu)了專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)激光燒結(jié)金屬粉技術(shù)的莫里斯技術(shù)公司，用來(lái)為其Leap系列發(fā)動(dòng)機(jī)制造零部件,。普惠公司也投入數(shù)百萬(wàn)美元聯(lián)合康涅狄格大學(xué)成立了增量制造中心,。美國(guó)國(guó)家航天航空局正在使用3D打印機(jī)生產(chǎn)航天器的引擎部件，并計(jì)劃將打印設(shè)備發(fā)射到國(guó)際空間站,，以期宇航員能夠自給自足,，利用空間站上的原料直接生產(chǎn)所需品，改變完全依賴地面供給的補(bǔ)給模式,。

2014年8月31日,，美國(guó)宇航局的工程師們完成了3D打印火箭噴射器的測(cè)試，本項(xiàng)研究在于提高火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組件的性能,，由于噴射器內(nèi)液氧和氣態(tài)氫一起混合反應(yīng),，燃燒溫度可達(dá)約3315℃，可產(chǎn)生約9噸推力,，驗(yàn)證了3D打印技術(shù)在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)制造上的可行性,。

制造火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴射器需要精度高的加工技術(shù)，如果使用3D打印技術(shù),，就可以降低制造上的復(fù)雜程度,，在計(jì)算機(jī)中建立噴射器的三維圖像，打印的材料為金屬粉和激光,，在較高溫度下,，金屬粉可被重新塑造成我們需要的樣子�,；鸺�發(fā)動(dòng)機(jī)中的噴射器內(nèi)有數(shù)十個(gè)噴射元件,，要建造大小相似的元件需要高的加工精度，該技術(shù)測(cè)試成功后將用于制造RS-25發(fā)動(dòng)機(jī),，作為美國(guó)宇航局太空發(fā)射系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿�,，該火箭可運(yùn)載宇航員超越近地軌道，進(jìn)入更遙遠(yuǎn)的深空,。馬歇爾中心工程部主任克里斯認(rèn)為,，3D打印技術(shù)在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器上應(yīng)用只是第一步，我們的目的在于測(cè)試3D打印部件如何能徹底改變火箭的設(shè)計(jì)與制造,，并提高系統(tǒng)的性能,，更重要的是可以節(jié)省時(shí)間和成本，不太容易出故障,。

2014年9月,，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）預(yù)計(jì)完成首臺(tái)成像望遠(yuǎn)鏡,，所有元件幾乎全部通過(guò)3D打印技術(shù)制造。NASA也因此成為首家嘗試使用3D打印技術(shù)制造整臺(tái)儀器的單位,。這款太空望遠(yuǎn)鏡功能齊全,，其50.8mm的攝像頭使其能夠放進(jìn)立方體衛(wèi)星（一款微型衛(wèi)星）當(dāng)中。據(jù)了解,，這款太空望遠(yuǎn)鏡的外管,、外擋板及光學(xué)鏡架全部作為單獨(dú)的結(jié)構(gòu)直接打印而成。

這款長(zhǎng)50.8mm的望遠(yuǎn)鏡將全部由鋁和鈦制成,，而且只需通過(guò)3D打印技術(shù)制造4個(gè)零件即可,，相比而言，傳統(tǒng)工藝所需的零件數(shù)是3D打印的5-10倍,。此外,，在3D打印的望遠(yuǎn)鏡中，可將用來(lái)減少望遠(yuǎn)鏡中雜散光的儀器擋板做成帶有角度的樣式,，這是傳統(tǒng)制作工藝在一個(gè)零件中所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的,。

2018年12月3日，一臺(tái)名為奧根納特的突破性3D打印裝置,，被執(zhí)行“58號(hào)遠(yuǎn)征”任務(wù)的“聯(lián)盟MS-11”飛船送往國(guó)際空間站,。打印機(jī)由英維特羅的子公司“3D生物打印解決方案”公司建造。英維特羅隨后收到了從國(guó)際空間站傳回的一組照片,，通過(guò)這些照片可以看到老鼠甲狀腺是如何被打印出來(lái)的,。

2021年3月，法國(guó)賽峰集團(tuán)旗下賽峰起落架系統(tǒng)公司使用SLM解決方案公司的選區(qū)激光熔化（SLM）技術(shù)制造了公務(wù)機(jī)前起落架的組件,，為公務(wù)機(jī)打造首個(gè)3D打印的大型鈦合金前起落架殼體,。

具體來(lái)說(shuō)，他們使用金屬增材制造來(lái)制作將載荷從機(jī)輪傳遞到飛機(jī)結(jié)構(gòu)的組件之一,，該組件在起飛后將收回機(jī)身內(nèi)，尺寸為455mm×295mm×805mm,，對(duì)于金屬增材來(lái)說(shuō)是相當(dāng)大的體積,。采用該生產(chǎn)方法后，賽峰集團(tuán)將組件的總重量降低了15%,，同時(shí)又保持了力學(xué)性能,。該組件是由鈦材料3D打印的，并承受高應(yīng)力,。

飛機(jī)的起落架顯然具有一些關(guān)鍵功能,，即用于起飛、著陸和制動(dòng),。賽峰集團(tuán)著陸系統(tǒng)公司特別感興趣的是制造一種必須能夠承受機(jī)輪傳遞應(yīng)力的組件,，是一個(gè)承受很大壓力的結(jié)構(gòu)元件：它必須能夠在樞軸上旋轉(zhuǎn)，以使起落架在飛機(jī)下方收回，并且它必須吸收來(lái)自飛機(jī)機(jī)輪的機(jī)械應(yīng)力,。在這種性質(zhì)和尺寸下的一個(gè)零件上使用增材制造是世界首次,。

該3D打印組件是鈦合金起落架殼體,，并在SLM解決方案公司金屬機(jī)床SLM 800上打印,，該機(jī)床以其四激光技術(shù)和可靠性而聞名。團(tuán)隊(duì)使用增材制造,，不但總質(zhì)量降低了15%,，還縮短了生產(chǎn)時(shí)間。

在材料方面,，選擇鈦是因?yàn)槠鋱?jiān)固性和耐腐蝕性,。傳統(tǒng)上，零件是用鋁材設(shè)計(jì),、通過(guò)鍛造工藝制造的,，但是考慮到選擇面向3D打印的設(shè)計(jì)，這種金屬是不合適的,。零件的70%的表面沒(méi)有經(jīng)過(guò)機(jī)械加工,，僅加工了功能性表面，增加了箱體的壽命,。目前,，賽峰集團(tuán)起落架系統(tǒng)公司計(jì)劃在2022年測(cè)試3D打印組件，這是認(rèn)證過(guò)程中的關(guān)鍵一步,。

中國(guó)3D打印的鈦合金航空航天器產(chǎn)品

中國(guó)的大型鈦合金結(jié)構(gòu)件激光成形技術(shù)具有國(guó)際領(lǐng)先水平,，是目前世界上唯一掌握了飛機(jī)鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成型技術(shù)并實(shí)現(xiàn)裝機(jī)應(yīng)用的國(guó)家。另?yè)?jù)媒體報(bào)道,，在艦載機(jī),、四代機(jī)等新型軍用飛機(jī)的研制過(guò)程中，3D打印技術(shù)已經(jīng)發(fā)揮了重要作用,，承擔(dān)了包括起落架在內(nèi)的鈦合金主承力構(gòu)件的試制任務(wù),。

2020年5月5日，中國(guó)首飛成功的長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭上,，搭載著新一代載人飛船試驗(yàn)船,，船上還搭載了一臺(tái)“3D打印機(jī)”。這是中國(guó)首次太空3D打印實(shí)驗(yàn),，也是國(guó)際上第一次在太空中開(kāi)展連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印實(shí)驗(yàn),。

3D打印的鋁合金航空航天器產(chǎn)品很多，有鋁合金的,，也有鋁基復(fù)合材料的,，簡(jiǎn)述幾則產(chǎn)品如下：

1. 美國(guó)梅爾德公司的大型部件,。該公司于2019年采用其獨(dú)創(chuàng)的3D打印技術(shù)以6061鋁合金粉打出直徑超過(guò)1400mm的大型環(huán)件（如圖），在3D打印零件領(lǐng)域具有里程碑意義,。所采用的技術(shù)為一種固態(tài)工藝,，在加工過(guò)程中材料不會(huì)達(dá)到熔化溫度，產(chǎn)品中的殘余應(yīng)力很低,，具有精準(zhǔn)的尺寸與外形。

2. 2015年6月俄羅斯技術(shù)集團(tuán)公司以3D打印技術(shù)打造出一架鋁材無(wú)人機(jī)樣機(jī),，打印時(shí)間31小時(shí),，質(zhì)量3.8kg，翼展2400mm,，飛行速度90km/h-100km/h,，續(xù)航能力1-1.5小時(shí)。

3. 10m級(jí)高強(qiáng)鋁合金重型運(yùn)載火箭連接環(huán)樣件,，2021年1月,，國(guó)家增材制造創(chuàng)新中心、西安交通大學(xué)盧秉恒院士團(tuán)隊(duì)利用3D打印技術(shù)制成了世界上首件10m級(jí)高強(qiáng)鋁合金重型運(yùn)載火箭連接環(huán)樣件,。該樣件利用電弧熔絲增減材一體化制造技術(shù)，在整體制造的工藝穩(wěn)定性,、精度控制及變形與應(yīng)力調(diào)控等方面均實(shí)現(xiàn)了重大技術(shù)突破,。

10米級(jí)超大型鋁合金環(huán)件是連接重型運(yùn)載火箭貯箱的簡(jiǎn)段,、前后底與火箭的箱間段之間的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件,。該樣件重約1噸，創(chuàng)新采用多絲協(xié)同工藝裝備,，制造工藝大為簡(jiǎn)化、成本大幅降低,，制造周期縮短至1個(gè)月,。

目前，采用增減材一體化制造技術(shù)成功完成超大型環(huán)件屬國(guó)際首例,，該成果將會(huì)助力增材制造為中國(guó)航天事業(yè)發(fā)光發(fā)熱，同時(shí),，為中國(guó)航天事業(yè)中重大零件的快速制造提供了技術(shù)支撐。