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2020年中国航天领域3D打印8大应用成就和案例

2020年中国航天领域3D打印8大应用成就和案例

2020年,中国航天取得了举世瞩目的成绩。新一代运载火箭长征五号B、长征八号首飞成功,天问一号奔赴火星,新一代载人飞船实验船成功验证,探月工程“绕、落、回”三步走圆满收官,北斗卫星系统全面组网......中国航天创造了一个又一个奇迹。2020年也是航天领域要求以质取胜的一年,3D打印技术在航天领域的表现虽尤为亮眼,但总结出8条应用进展却着实不易。接下来,请跟随3D打印技术参考一览2020年中国航天领域3D打印8大应用成就和案例。

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1.全3D打印航天关键承力件通过飞行考核

2020年5月5日,中国航天科技集团长征五号B运载火箭首飞取得圆满成功,同期一院211厂研制的全3D打印芯级捆绑支座顺利通过飞行考核验证。

捆绑支座是连接火箭芯级和助推器用于传导助推器巨大推力的关键产品,飞行时承载200余吨集中力。这是航天领域迄今为止集中力承载环境最“恶劣”的3D打印产品,也标志着211厂又一增材制造技术方向实力跃居国内先进行列。

研制过程中,为了大幅减重,设计人员对捆绑支座这一关键主承力构件进行了系统优化,最终选用了以最优传力路径设计的钛合金构件,有效减重200千克。面对大尺寸、高精度、高性能的制造要求,211厂增材制造中心从确保产品整体质量可靠性出发,放弃惯常采用的复合3D打印方案,选择了技术难度更高的全3D打印。同时,为进一步提高产品性能,该中心选择了工艺控制难度更大的极远离平衡态成形方法。

经过近4个月的工艺摸索,增材制造中心解决了大尺寸零件成形易开裂等难题,于2018年3月成功研制出首件全3D打印芯级捆绑支座产品;2019年3月,正式产品交付。产品性能检测结果显示,经全打印的钛合金材料静载屈服强度略优于、延伸率远优于国内同期工程应用水平,强塑积提升一倍以上,全产品剖切性能离散度达到锻件水平要求。

2.新一代载人飞船返回舱防热大底框架采用激光沉积3D打印制造

2020年5月8日,由中国航天科技集团空间技术研究院抓总研制的我国新一代载人飞船试验船返回舱,在东风着陆场预定区域成功着陆!此次试验船飞行任务的圆满成功,实现了我国超大尺寸整体钛框架3D打印制造的首次航天应用。

由航天五院总体部主导研制的直径达4米的超大尺寸整体钛框架全部采用3D打印工艺制造,成功实现了减轻重量、缩短周期、降低成本的目标。鑫精合激光科技发展有限公司是承担该防热大底框架增材制造工作的主要企业之一,在研制过程中,成功克服了大尺寸零件变形开裂、冶金缺陷等诸多难题。防热大底框架结构是气动力热作用下最主要的承力部件,新一代载人飞船试验船的成功返回标志着我国超大尺寸关键结构件整体3D打印技术通过大考。

新一代载人飞船试验船返回舱及采用激光沉积3D打印制造的返回舱防热大底框架实物

此外,试验船还搭载有铂力特公司为星众空间3D打印的高强铝合金立方星部署器,以及星驰恒动公司研制的60余件金属3D打印产品。前者独特的一体化结构有效提高了结构性能,同时减少了连接件,降低了整件重量;后者则涉及三维点阵类轻质材料结构产品、热管理功能类产品、复杂形状金属件产品等多种类型,这是星驰恒动公司3D打印技术在第七个航天器型号中获得的成功在轨应用,也是其研制的3D打印热控分系统产品首次实现在轨飞行。

3.首次实现多种3D打印技术太空在轨验证

在新一代载人飞船实验船在轨飞行的2天零19小时内,以航天五院为代表的团队完成了多项空间科学实验和技术试验,其中包括多种3D打印技术的太空在轨验证,以及几十件产品的性能检验。

其中,中科院空间应用中心研究团队研制的“在轨精细成型实验装置”,成功克服太空失重环境导致的打印材料流变行为,创新采用立体光刻3D打印技术对金属/陶瓷复合材料进行了微米级精度的在轨制造,为我国未来在轨制造零件提供了技术储备。

由529厂—西交大团队共同研制的“连续纤维增强复合材料太空3D打印装备”实现了国际首次连续纤维增强复合材料太空环境增材制造技术。连续纤维增强复合材料是当前国内外航天器结构的主要材料,密度低、强度高,开展复合材料空间3D打印技术研究,对于未来空间站长期在轨运行、发展空间超大型结构在轨制造具有重要意义。

4.长征五号运载火箭大尺寸保护板零件采用3D打印技术制造

2020年7月23日,长征五号运载火箭在中国文昌航天发射场成功点火起飞,中国迈出行星探测的第一步——奔向火星!这是长征五号运载火箭首次执行应用性发射,成功将天问一号火星探测器送入预定轨道。其中,长征五号运载火箭上的一个重要部件——级间解锁装置保护板,由中国运载火箭技术研究院航天材料及工艺研究所通过采用华曙高科连续增材制造系统HT1001P解决方案加工而成。

级间解锁装置保护板直径达5米,单批次加工件数较少,加工频次较低,如采用传统注塑方式需要使用模具,模具成本高,且模具的保存成本也较高。而采用3D打印技术,则无需开模、一体成型。华曙高科与航天材料及工艺研究所的成功合作,将保护板拆分成50件分别打印,每个部件尺寸约为370mm*100mm*125mm,最后将零件拼接而成,耗时仅48小时。较之原有铝合金材质,该保护板采用3D打印高分子材料,安装更为灵活便捷,表面的红色喷漆具有防水、防盐雾功能,可起到良好的防护作用。该部件的成功应用,实现了国产新型大幅面增材制造装备的应用验证。

5.“天问一号”携带百余件3D打印定制零部件飞向火星

据中国航天科技集团消息,天问一号探测器将在2021年2月10日左右,在临近火星后实施近火制动,进入环火轨道。截至1月3日6时,中国首次火星探测任务天问一号火星探测器已经在轨飞行约163天,飞行里程突破4亿千米,距离地球接近1.3亿千米,距离火星约830万千米

据媒体消息,“天问一号”火星探测器安装使用了超过100个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(如钛合金等),具有高强度耐高温耐辐射等各种高性能特征,可以满足在火星恶劣环境中正常工作运行的要求。高能离子浮尘、空间碎片,要考虑结构的性能和特点,深空探测器结构包括高刚度、轻量化、尺寸稳定性、拓扑优化等等需求。

6.航天八院149厂成功研制国内首套滑块白合金堆焊机器人工作站

据2020年8月消息,航天科技集团八院149厂成功研制国内首套滑块白合金堆焊机器人工作站,用于客户公司低速柴油机滑块的专业化批量焊接加工,提升了重型船舶关键模块生产的智能化水平。在2020年10月的央视新闻中,149厂的金属3D打印技术被用于制造运载火箭产品。

149厂研发滑块白合金堆焊机器人工作站,通过六自由度专用焊接机器人代替传统三轴机床,采用直径 4毫米高速送丝、高效TIG 焊接,实现了试件端的平面及凹槽环面的焊接轨迹规划及自动焊接,并通过工艺优化,使白合金与基底的异种材料结合面具备良好的结合强度,同时堆焊层内部及表面质量无缺陷,有效提高焊接效率和焊接质量。

该机器人工作站的成功研制,使149厂在白合金堆焊领域取得新突破,证明了该厂在机器人集成和激光增材制造领域的实力,为后续承担同类产品的研制奠定了坚实基础。(详情可查看3D打印技术参考视频号)

7.【空间在轨增材制造】入选2020年宇航领域十大科学问题和技术难题

在9月18日的中国航天大会上,2020年宇航领域十大科学问题和技术难题发布,面向空间超大型天线结构的在轨增材制造技术与超大型空间光学装置在轨组装和维护技术被纳入其中。这两项技术,均属于空间在轨制造范畴。

随着我国在轨任务需求的增长和规模的扩大,在可以预见的未来将会有更多且更大的空间系统在轨运行,如大口径空间望远镜、超大型通信卫星天线、超大型太空发电站等。

在大型构件的在轨组装方面,受火箭推力、整流罩包络及机构复杂度的影响,未来深空探测、天文观测、战略侦察等工程所需的大面积、大跨度空间结构一次性实现在轨布署有较大的难度。空间在轨增材制造、在轨组装可将单次/多次发射入轨的结构模块、功能模块等基本单元依序组装成期望的大型空间系统。另一方面,航天器的质量往往非常大,但实际上在空间微重力环境下并不一定需要结构非常强,航天器的结构做的很重、很大,是因为要经受住航天发射过程中巨大的冲击。如果能够实现空间在轨制造,也将大大减轻航天发射的成本。

空间在轨增材制造属于在轨制造的一种重要形式,它将有效解决未来空间超大型天线系统建设的难题,为超大型空间结构的在轨建设和维护提供有效手段,对推动我国天文观测、空间太阳能发电等领域技术发展与应用具有重要作用。

8. 北京宇航推进借助3D打印制造火箭发动机关键部件

在民营航天方面,2020年3月,北京宇航推进科技有限公司自主研制的沧龙一号液氧/LNG液体火箭发动机(CL-1)全尺寸涡轮泵完成装配及交付。这标志着沧龙一号发动机研制工作将正式迈入系统级调试和测试阶段。

涡轮泵是火箭发动机中唯一的一个高速旋转而又承受高温、极低温、高压和剧烈震动等恶劣环境的关键部件。对此宇航推进在设计时采用了高可靠、低成本、重复使用的设计理念,同时兼顾了重量轻和高性能的指标要求。产品采用了同轴涡轮泵布局方案,各技术创新方案有效地提高了涡轮泵性能和成本优势,产品在生产制造环节大量采用3D打印、特种成型、特种加工工艺,大幅缩短生产周期、降低产品成本,为后续批产奠定了坚实基础。

涡轮泵是液体火箭发动机的心脏,沧龙一号发动机涡轮泵是一款大吨位双低温同轴涡轮泵,具备深度流量调节能力和高抗气蚀性能,涡轮功率可达到7MW。

值得注意的,此前央视报道曾报道过火箭发动机涡轮泵涡轮盘制造技术取得突破,采用新型一体化制造技术取代过去的焊接工艺,由此制造的涡轮泵还将用于未来长征五号改进型以及长征九号。然而经笔者核实,该部件并非采用3D打印制造,而是采用了其它制造方式。(详情可查看3D打印技术参考视频号)

END

更多航天领域3D打印技术的应用多未被公开报道,3D打印技术参考可总结的内容也仅限以上这些,但无论哪一项应用都算得上重大突破,并具有标志性的意义。

3D打印技术在航天领域大有可为,但具体到特定的零件,新技术能用不能用,总要试一试,有成功自然也会有失败。我们也相信,以上成功应用也是在多次的失败后才实现的辉煌成果。2021年,中国将开启空间站建设,相信会有越来越多的3D打印应用。

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