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	復雜結構產(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)品結構減重越來越難,，為了追求更輕的減重目標,，其結構越來越復雜，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)任意復雜結構制造，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)新結構,，如圖1所示，為航天飛行器結構輕量化,、熱防控等功能需求提供了切實可行的技術途徑,。

（a）點陣結構（b）蜂窩結構（c）拓撲結構

圖 1 增材制造創(chuàng)新型結構

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，實現(xiàn)飛行器穩(wěn)定飛行及機動的重要部件,。其結構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）加強翼肋夾層結構舵翼（c）骨架蒙皮結構舵翼

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+蒙皮整體輕量化結構，實現(xiàn)舵翼產(chǎn)品的創(chuàng)新型設計與制造,，舵翼產(chǎn)品內部采用點陣結構填充,，外面為氣動外形薄壁蒙皮結構，點陣和蒙皮為整體結構,，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%,，舵翼結構減重明顯,。
二是在給定面載荷下最大等效應力小于屈服應力，且優(yōu)化后其繞轉軸的轉動慣量減小65.4%,，效果明顯,。
三是通過內部點陣結構的設計，如晶胞結構,、布局優(yōu)化等可實現(xiàn)舵翼質心的自由調節(jié),，減少配重使用，甚至可以完全替代傳統(tǒng)配重塊調節(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構可直接激光選區(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,，通過點陣結構設計與制造已實現(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)新微結構設計在舵翼類產(chǎn)品阻尼性能的防顫振,，以及通過微流道結構在舵翼類產(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）