3D打印在航天智能制造中的應用

文|梁輝 西安航天復合材料研究所

一、3D打印成為推動航天智能制造的主線

作為第三次工業(yè)革命制造領(lǐng)域的典型代表技術(shù)，3D打印的發(fā)展時刻受到各界的廣泛關(guān)注。3D打印技術(shù)具有高柔性、快速響應、制造成本與產(chǎn)品復雜程度關(guān)聯(lián)性較小、適用材料廣泛等特點，已成為推動智能制造的主線，在航天高端制造領(lǐng)域具有廣闊的應用前景，主要集中在鈦合金、鋁鋰合金、超高強度鋼、高溫合金等方面。隨著3D打印技術(shù)向生物醫(yī)療、動力、能源等領(lǐng)域的推廣，鈷合金、銅合金、復合材料、梯度材料、非晶合金等材料的增材制造應用將越來越廣泛。

2014年12月17日，美國商業(yè)公司研制的全球首臺微重力3D打印機在國際空間站（ISS）依照美國國家航空航天局（NASA）從地面發(fā)送的設(shè)計文件打印出套筒扳手。3D打印技術(shù)已在衛(wèi)星與火箭等航天制造領(lǐng)域顯現(xiàn)出重要的發(fā)展價值和應用潛力。調(diào)查顯示，3D打印技術(shù)在航空航天工業(yè)領(lǐng)域的應用份額已占全部應用領(lǐng)域的10%以上，未來有望用于制造國際空間站30%以上的備用部件。

二、3D打印火箭已獲訂單

藍色起源公司（Blue Origin）和美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）都利用3D打印技術(shù)為其運載火箭建造一些部件和工具，但二者目前都仍然依賴傳統(tǒng)的技術(shù)制造火箭的大部分部件?？紤]到3D打印的組件具有更輕、更強、制造簡便的優(yōu)點，太空發(fā)射服務(wù)初創(chuàng)公司Relativity Space利用該技術(shù)建造符合期望的更便宜、更好的火箭，讓火箭發(fā)射進入軌道的成本更低廉。該公司的核心任務(wù)是創(chuàng)造一個全新的、從根基上更優(yōu)秀的制造和發(fā)射火箭的過程，努力將火箭設(shè)計和生產(chǎn)過程自動化，打印出盡可能多的火箭部件。

目前Relativity Space公司正在開發(fā)一個將軟件、機器學習、冶金和世界上最大的金屬3D打印機結(jié)合在一起的平臺——“星際之門”（Stargate）。該公司目前擁有的專利打印頭（printheads）、軟件和金屬沉積工藝，可以讓“星際之門”制作直徑約3m，高約6m的部件，而且比傳統(tǒng)的3D打印機快20～30倍。公司可以在30天內(nèi)制造出一個高約30m、寬約2m的火箭，所有的部件都由3D打印而成。一旦零件打印出來，其目標是在下一個30天內(nèi)完成組裝、測試、集成和發(fā)射。因此，有望在60天內(nèi)從原材料起步制造出完整的火箭。目前，該公司正在使用“星際之門”制造運載火箭Terran 1，以及火箭發(fā)動機Aeon 1（圖1）。

圖1 Relativity Space公司3D 打印的火箭發(fā)動機Aeon 1

2019年4月5日，Relativity Space公司宣布同加拿大電信衛(wèi)星公司（Telesat）簽約。Relativity Space公司將承擔電信衛(wèi)星低軌寬帶衛(wèi)星星座的部分發(fā)射任務(wù)，使用該公司目前正在研制的采用3D打印技術(shù)的小運載火箭，發(fā)射任務(wù)起始時間不早于2021年。

三、3D打印技術(shù)在我國航天領(lǐng)域已成功應用

2015年4月，應用3D打印技術(shù)研制的某型號發(fā)動機點火裝置成功通過發(fā)動機地面試車考核，標志著3D打印技術(shù)首次在固體火箭發(fā)動機試車上成功應用。發(fā)動機點火裝置殼體結(jié)構(gòu)復雜，加工成本高，周期長，難度大，為了解決這些瓶頸問題，科研人員將3D打印技術(shù)引入到點火裝置殼體研制過程中，并聯(lián)合國內(nèi)3D打印設(shè)備廠商打印了首批點火裝置殼體。

2016年初，國家某3D打印制造技術(shù)推廣應用項目—激光選區(qū)熔化成形技術(shù)（即一種3D打印技術(shù)在某渦輪泵上的應用研究）順利通過現(xiàn)場測試驗收。該項目以新型航天發(fā)動機渦輪泵研制為背景，針對核心零件油冷渦輪葉片軸轉(zhuǎn)子開展3D打印技術(shù)工程應用研究，突破了盤軸葉片一體化主動冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計、轉(zhuǎn)子類零件激光選區(qū)熔化成形等關(guān)鍵技術(shù)，解放了傳統(tǒng)工藝對結(jié)構(gòu)設(shè)計的束縛，實現(xiàn)了復雜狹長內(nèi)通道轉(zhuǎn)子類結(jié)構(gòu)設(shè)計制造，使結(jié)構(gòu)的換熱冷卻效果提升了90%，有效解決了渦輪泵高溫熱防護技術(shù)難題，產(chǎn)品順利通過高溫考核試驗。該項目在國內(nèi)首次實現(xiàn)了3D打印技術(shù)在轉(zhuǎn)子類零件上的應用，研究成果也推廣應用到航天發(fā)動機其它關(guān)鍵零部件的研制，突破了復雜異型薄壁軸承座、中空薄壁主動冷卻噴管與細長薄壁內(nèi)流道噴嘴等產(chǎn)品的制造技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)發(fā)動機關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的快速制造，顯著提升了航天發(fā)動機綜合性能。

2018年6月14日，探月工程嫦娥四號中繼通信衛(wèi)星“鵲橋”成功抵達地月L2點Halo軌道，該衛(wèi)星上搭載了采用3D打印技術(shù)研制的多個復雜形狀鋁合金結(jié)構(gòu)件，標志著采用3D打印技術(shù)的型號產(chǎn)品首次實現(xiàn)在軌應用，開啟了3D打印技術(shù)在型號工程化應用的新紀元。“鵲橋”衛(wèi)星上的3D打印零件產(chǎn)品全部經(jīng)過拓撲優(yōu)化構(gòu)型，通過與輕量化設(shè)計技術(shù)的結(jié)合，零件重量大幅降低，承載比有效提升，3D打印的技術(shù)優(yōu)勢得到充分發(fā)揮。

四、結(jié)語

3D打印技術(shù)在航天領(lǐng)域被廣泛應用的現(xiàn)狀表明,在地面上采用3D打印技術(shù)制造某些航天零部件可降低成本、縮短周期，有助于設(shè)計研發(fā)具有新功能、新結(jié)構(gòu)的零部件，提高結(jié)構(gòu)可靠性，還可帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

3D打印正處于技術(shù)發(fā)展的井噴期，近幾年國內(nèi)有很多創(chuàng)新，使非金屬制造的效率提高了幾十倍，金屬制造的效率也提高了近十倍。同時，3D打印也正處于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的起步期，很多企業(yè)逐步進入這個領(lǐng)域，普遍認為3D打印是值得挖掘的金礦。