增材制造典型應用場景一：基于增材工藝的航天關鍵零部件整體輕量化設計

來源：增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟

2022年8月,，工業(yè)和信息化部發(fā)布了《首批增材制造典型應用場景名單》，經(jīng)過地方推薦,、專家評審,、社會公示等程序，形成了首批增材制造典型應用場景,，共有工業(yè),、醫(yī)療、建筑,、文化等領域的36個優(yōu)質(zhì)應用場景入選,。
為加快增材制造先進技術與裝備應用推廣，中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟設立“增材制造典型應用場景案例專欄”,，從需求痛點,、案例介紹、技術先進性,、應用成效,、下一步計劃等角度立體展示優(yōu)秀成果案例。
現(xiàn)將第一期“基于增材工藝的航天關鍵零部件整體輕量化設計”發(fā)布如下,。

場景類型	復雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品輕量化設計
場景項目名稱	基于增材工藝的航天關鍵零部件整體輕量化設計
場景項目單位	裝備制造商	上海探真激光技術有限公司,、西安鉑力特增材技術股份有限公司
	服務提供商	上海航天精密機械研究所
	應用單位	中國航天科技集團有限公司

一、背景概述

（一）需求痛點

面對新的國際形勢和軍事戰(zhàn)略環(huán)境,，航天武器性能要求越來越高,，裝備的輕量化、整體化,、集成化需求更為緊急與迫切,。當前，由于受限傳統(tǒng)制造方法工藝可達性的約束,，航天飛行器關鍵零部件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)減重越來越難,，為了追求更輕的減重目標，其結(jié)構(gòu)越來越復雜,，傳統(tǒng)制造成本極高,，甚至無法制造，已嚴重制約了高性能新型航天飛行器研制,。

（二）解決方案

激光選區(qū)熔化增材制造技術作為最具前景的增材制造技術之一,，直接從數(shù)字化模型制造零部件，理論上可實現(xiàn)任意復雜結(jié)構(gòu)制造，如傳統(tǒng)制造工藝難以制造的點陣,、蜂窩和隨形流道等復雜的創(chuàng)新結(jié)構(gòu),，如圖1所示，為航天飛行器結(jié)構(gòu)輕量化,、熱防控等功能需求提供了切實可行的技術途徑,。

（a）點陣結(jié)構(gòu)（b）蜂窩結(jié)構(gòu)（c）拓撲結(jié)構(gòu)

圖 1 增材制造創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)

二、案例介紹——點陣+蒙皮整體輕量化舵面

（一）案例描述

舵翼類產(chǎn)品是航天飛行器穩(wěn)定控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu),，實現(xiàn)飛行器穩(wěn)定飛行及機動的重要部件,。其結(jié)構(gòu)輕量化程度不僅影響飛行器機動性和響應速率，還對舵機系統(tǒng)輸出功率有重要影響,。舵翼類產(chǎn)品隨著制造工藝技術的不斷進步,，從最初的實心板式舵翼到目前主流的骨架蒙皮式翼舵，如圖2所示,，其輕量化水平逐漸提高,。

（a）整體夾芯式舵翼（b）加強翼肋夾層結(jié)構(gòu)舵翼（c）骨架蒙皮結(jié)構(gòu)舵翼

圖 2 舵翼產(chǎn)品形式

針對舵翼類產(chǎn)品輕量化迫切需求，采用了點陣+蒙皮整體輕量化結(jié)構(gòu),，實現(xiàn)舵翼產(chǎn)品的創(chuàng)新型設計與制造,，舵翼產(chǎn)品內(nèi)部采用點陣結(jié)構(gòu)填充，外面為氣動外形薄壁蒙皮結(jié)構(gòu),，點陣和蒙皮為整體結(jié)構(gòu),，直接整體增材制造成形。

圖 3 鋁合金點陣+蒙皮整體輕量化折疊空氣舵實物

點陣+蒙皮整體輕量化舵面采用激光選區(qū)熔化成形技術,，產(chǎn)品制造裝備為西安鉑力特公司的BLT-S300型激光選區(qū)熔化成形裝備,，最大可成形尺寸為250×250×400mm3，如圖 4（a）所示,；以及上海探真公司的TS320型激光選區(qū)熔化成形裝備,，最大可成形尺寸為320×320×420 mm3，如圖 4（b）所示,。

（a）BLT-S300 型  （b）TS320 型

圖 4 激光選區(qū)熔化成形設備

（二）技術水平及先進性

一是鋁合金點陣+蒙皮整體輕量化折舵面較實心舵面減重65.5%,，舵翼結(jié)構(gòu)減重明顯。
二是在給定面載荷下最大等效應力小于屈服應力,，且優(yōu)化后其繞轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量減小65.4%,，效果明顯。
三是通過內(nèi)部點陣結(jié)構(gòu)的設計,，如晶胞結(jié)構(gòu),、布局優(yōu)化等可實現(xiàn)舵翼質(zhì)心的自由調(diào)節(jié)，減少配重使用,，甚至可以完全替代傳統(tǒng)配重塊調(diào)節(jié),。
四是工藝簡單,，制造周期縮短，成本降低,。點陣+蒙皮整體輕量化舵翼結(jié)構(gòu)可直接激光選區(qū)熔化整體成形，無需蒙皮焊接和焊縫檢測等工序,。

三,、應用推廣成效

該類點陣+蒙皮整體輕量化舵翼產(chǎn)品已通過了靜力、展開和掛機飛行展開試驗考核,。目前,，已穩(wěn)定為某幾個飛行器型號每年配套100余件，有力支撐了型號的研制,。

四,、下一步提升及推廣

目前，基于增材制造技術,，通過點陣結(jié)構(gòu)設計與制造已實現(xiàn)了舵翼類產(chǎn)品的輕量化,。后續(xù)將進一步通過新材料和創(chuàng)新微結(jié)構(gòu)設計在舵翼類產(chǎn)品阻尼性能的防顫振，以及通過微流道結(jié)構(gòu)在舵翼類產(chǎn)品防隔熱等功能性提升方面開展工作,，進一步提升舵翼類產(chǎn)品功能性指標,。該類產(chǎn)品具有很好的推廣應用前景，尤其是未來武器裝備隱身和大機動要求,，型號小型化,、輕量化需求更加迫切，其推廣價值更大,。


（撰寫單位：上海航天精密機械研究所）