增材制造技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用與前景

文|高飛 于濟(jì)菘 趙相禹

長光衛(wèi)星技術(shù)有限公司

一、引言

近年來，增材制造技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)在工業(yè)制造、建筑工程、航空航天以及醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，激光選區(qū)熔化成形、熔融沉積成形、激光選區(qū)燒結(jié)成形、電子束/電弧熔絲成形等增材制造技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的十分成熟，利用這些增材制造技術(shù)制備的發(fā)動機(jī)匯分流機(jī)架、渦輪泵葉輪、常平環(huán)、俯仰框、電纜罩、熱電池支架、鈦合金內(nèi)流道閥體、衛(wèi)星貯箱、熱控相變板、鈦合金斜撐支架、鈦合金主承力結(jié)構(gòu)等產(chǎn)品，已經(jīng)通過了地面測試和各項(xiàng)環(huán)境考核，逐步應(yīng)用于空間站、深空探測、運(yùn)載火箭、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域[1-3]。

二、增材制造技術(shù)簡介

1.增材制造技術(shù)的概念

增材制造技術(shù)，又稱“3D打印技術(shù)”，是基于“分層切片+逐層堆積”的思想，根據(jù)三維模型數(shù)據(jù)，采用離散材料（液體、粉末、絲、片、板、塊等）逐層累加原理制造實(shí)體零件的技術(shù)。增材制造設(shè)備通常由高精度機(jī)械系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、噴射/熔融/沉積系統(tǒng)和成形環(huán)境等子系統(tǒng)構(gòu)成。相對于傳統(tǒng)的材料去除技術(shù)（如切削等），增材制造是一種自下而上材料累加的制造工藝[4]。

2.增材制造技術(shù)分類

增材制造技術(shù)的分類方法較多。按原材料的不同，可分為金屬、聚合物、復(fù)合材料/功能材料的增材制造技術(shù)；按能量發(fā)生源的不同，可分為激光束、電子束、等離子束、電弧增材制造技術(shù)；按照材料供給方式的不同，可分為預(yù)置材料式和同步供給材料式增材制造技術(shù)[5]。目前常見的成形方法有激光選區(qū)成形（SLS/SLM）、液態(tài)光固化成形（SLA）、熔融沉積成形（FDM）、分層實(shí)體成形（LOM）等，上述常見工藝進(jìn)行匯總?cè)绫?所示[6]。

從民用產(chǎn)品發(fā)展到航空航天領(lǐng)域，增材制造在設(shè)計、材料、裝備、工藝和檢測等方面對產(chǎn)品精度和性能提出了更高的要求。在航天應(yīng)用產(chǎn)品的高品質(zhì)需求下，增材制造的技術(shù)體系可分解為四個方面：基于輕量化的增材制造結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)、面向航天應(yīng)用需求的專用材料技術(shù)、適用于航天產(chǎn)品的專用裝備和工藝技術(shù)，以及基于增材制造的航天器產(chǎn)品檢測與評價技術(shù)[7-8]。

三、增材制造技術(shù)在航天領(lǐng)域的優(yōu)勢和局限

1.增材制造技術(shù)的優(yōu)勢

相較于傳統(tǒng)減材加工方式，增材制造技術(shù)應(yīng)用于航天領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢，具體可歸納為以下幾點(diǎn)。

（1）利于復(fù)雜航天產(chǎn)品的低成本設(shè)計

傳統(tǒng)航天產(chǎn)品設(shè)計往往受限于傳統(tǒng)制造技術(shù)，一些復(fù)雜的輕量化、鏤空化的支架設(shè)計無法實(shí)現(xiàn)，復(fù)雜化產(chǎn)品大多停留在概念設(shè)計階段，無法通過工藝手段完成。增材制造技術(shù)給復(fù)雜航天產(chǎn)品制造提供了更多的可能性，使設(shè)計人員的設(shè)計思路不再受制于制造技術(shù)的束縛，為復(fù)雜產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。同時，不同于傳統(tǒng)制造行業(yè)產(chǎn)品越復(fù)雜加工費(fèi)用越高的特點(diǎn)，利用增材制造技術(shù)制造復(fù)雜產(chǎn)品的成本并不會相應(yīng)增長，更利于復(fù)雜化產(chǎn)品的低成本設(shè)計。

表1 增材制造技術(shù)的常見工藝

（2）提高航天產(chǎn)品可靠性，利于一體化產(chǎn)品設(shè)計

以增材制造技術(shù)為基礎(chǔ)，將傳統(tǒng)設(shè)計中零件間復(fù)雜的連接關(guān)系簡化，通過產(chǎn)品的一體化設(shè)計，縮減零件加工后的裝配環(huán)節(jié)，提高產(chǎn)品的可靠性。同時，傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造多建立在產(chǎn)業(yè)鏈和流水線基礎(chǔ)上，產(chǎn)品零件越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，其供應(yīng)鏈和產(chǎn)品線也會越長，成本也就越高。通過一體化設(shè)計成形的產(chǎn)品，摒棄了繁復(fù)的裝配環(huán)節(jié)，從而縮短供應(yīng)鏈，大大降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本。

（3）降低生產(chǎn)成本，利于精益化管理

傳統(tǒng)的減材技術(shù)在產(chǎn)品制造時，伴隨產(chǎn)品成形過程會形成大量的切削屑，而這些碎屑無法再投入生產(chǎn)，造成了大量的浪費(fèi)，無形中增加了加工企業(yè)的生產(chǎn)成本。增材制造技術(shù)的浪費(fèi)量將顯著減少，隨著打印材料的不斷進(jìn)步，“凈成形”的增材制造手段將會成為更加節(jié)約環(huán)保的加工方式，利于企業(yè)精益化管理，實(shí)現(xiàn)企業(yè)利益的最大化。

（4）降低模具產(chǎn)品風(fēng)險，利于技術(shù)迭代

傳統(tǒng)制造過程中，對于復(fù)雜化、批量化或超大化的零件，往往通過開模制造的方式完成，而這一過程需要消耗大量的時間成本、人力成本，模具的產(chǎn)品質(zhì)量也直接決定了最終的產(chǎn)品質(zhì)量。增材制造技術(shù)摒棄了這一中間環(huán)節(jié)，降低了引入風(fēng)險。對于新產(chǎn)品研制來說，也能大大縮短產(chǎn)品的研制周期，降低研制成本，加快“設(shè)計—驗(yàn)證”迭代循環(huán)，提高生產(chǎn)效率。

（5）設(shè)備、材料攜帶方便，即打即用

由于增材制造設(shè)備的打印特點(diǎn)，一臺儀器可同時兼容多臺減材設(shè)備的功能，同時增材制造的一種原材料可替代減材技術(shù)多種規(guī)格的原料，因此增材制造技術(shù)所使用的設(shè)備不受場地的限制，尤其在大型空間站中可實(shí)現(xiàn)空間在軌零件的即損即補(bǔ)，降低航天任務(wù)成本。

2.增材制造技術(shù)的局限

（1）打印材料種類單一

耗材是目前制約增材制造技術(shù)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素。目前已研發(fā)的材料主要有部分塑料、樹脂和金屬等，然而增材制造技術(shù)要實(shí)現(xiàn)更多航天方面的應(yīng)用，還需要開發(fā)出更多的可打印材料。

（2）打印精度和質(zhì)量較低

增材制造技術(shù)是先通過計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）或計算機(jī)動畫建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，然后3D打印機(jī)通過讀取文件中的橫截面信息，逐層打印出幾何實(shí)體。而這種分層制造方法存在“臺階效應(yīng)”，每個層次雖然很薄，但在一定微觀尺度下，仍會形成具有一定厚度的逐級“臺階”，如果需要制造的對象表面是圓弧形，那么就會造成精度上的偏差，需要在“打印”成形后再進(jìn)行表面打磨處理。另外，3D打印出的產(chǎn)品沒有經(jīng)過熱加工，其硬度、強(qiáng)度、剛性、耐疲勞性等機(jī)械性能都無法與鑄件、鍛件相比。

（3）打印速度較慢

目前大部分增材制造技術(shù)的工作原理為3D打印機(jī)先將打印材料融化，然后從噴嘴里擠出材料，移動噴嘴來完成材料疊加，最終完成產(chǎn)品加工。受此打印原理的限制，打印速度相對較慢，如需打印一個高質(zhì)量產(chǎn)品，往往需要花費(fèi)數(shù)小時甚至數(shù)天的時間。

（4）打印產(chǎn)品性能穩(wěn)定度較差

通過增材制造設(shè)備打印的產(chǎn)品未經(jīng)過熱加工，其硬度、強(qiáng)度、剛性、耐疲勞性等機(jī)械性能都無法與鑄件、鍛件相比，物理性能、化學(xué)性能大多不能滿足工程實(shí)際需要。通過增材制造手段打印出的產(chǎn)品其材料的性能參數(shù)穩(wěn)定度相對較差，對于航天產(chǎn)品來說，易影響力學(xué)分析、熱分析等優(yōu)化分析結(jié)果，不利于產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計。

四、增材制造技術(shù)在航天領(lǐng)域的典型應(yīng)用

1.國外典型應(yīng)用案例

2017年5月，美國的Aerojet公司成功點(diǎn)火測試了其采用增材制造技術(shù)制造的液體燃料火箭發(fā)動機(jī)Bantam，這款發(fā)動機(jī)推力超過3萬磅，十分適合小型運(yùn)載火箭以及低成本的高端市場使用。這次測試是在俄亥俄州代頓市附近的懷特-帕特森空軍基地完成的，而通過測試的是用于RL10火箭發(fā)動機(jī)的推力室部件，是通過激光燒結(jié)（LS）技術(shù)使用銅合金打印而成的?；鸺l(fā)動機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)如圖1所示。采用3D打印技術(shù)制造該推力室，帶來了以下三方面好處：一是降低了成本；二是大幅縮短了時間，原先采用傳統(tǒng)技術(shù)需要數(shù)月，現(xiàn)在只需不到1個月；三是大大簡化了部件的組成，將組件數(shù)量從原先的近20個減少到了2個。

圖1 火箭發(fā)動機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)

歐洲航天局（ESA）計劃于2020年發(fā)射星上自主項(xiàng)目-3（PROBA-3）衛(wèi)星，衛(wèi)星天線系統(tǒng)中包括了一種3D打印鋁合金螺旋式天線（圖2）。該天線在實(shí)現(xiàn)功能的同時保持了射頻和熱機(jī)械性能，目前已由合同制造商完成交付，并通過了ESA PROBA-3衛(wèi)星任務(wù)的飛行認(rèn)可。泰雷茲-阿萊尼亞航天公司已將粉末選區(qū)激光熔化3D打印技術(shù)投入到通信衛(wèi)星組件的批量生產(chǎn)中，其全電動Spacebus Neo平臺將配備4個3D打印鋁制反作用輪支架，以及16個天線展開和指向機(jī)構(gòu)（ADPM）支架，其中包括4個鋁合金支架和12個鈦合金支架。

圖2 3D打印鋁合金螺旋天線

2.國內(nèi)典型應(yīng)用案例

2015年，湖南華曙高科技有限責(zé)任公司成功研發(fā)出全球首款開源可定制金屬3D打印設(shè)備FS271M，開發(fā)了不銹鋼、鈦合金、鈷鉻合金等金屬3D打印材料的選區(qū)激光熔融工藝。2016年初，該公司攻克了12種3D打印金屬粉末材料激光精密成形的難點(diǎn)，成為國內(nèi)率先成功燒結(jié)鎢、鉭、銅合金材料的3D打印企業(yè)，其打印的鉭桁架結(jié)構(gòu)硬度適中、富有延展性，可以拉成細(xì)絲式制薄箔，其熱膨脹系數(shù)很小，可作飛機(jī)發(fā)動機(jī)的燃燒室的結(jié)構(gòu)材料，火箭、導(dǎo)彈和噴氣發(fā)動機(jī)的耐熱高強(qiáng)材料以及控制和調(diào)節(jié)裝備的零件等。

2019年初，我國發(fā)射的嫦娥四號中繼衛(wèi)星“鵲橋”上使用了由3D打印技術(shù)制造的動量輪支架（圖3）。傳統(tǒng)設(shè)計制造斜裝動量輪支架，一般采用鋁合金棒料機(jī)械加工而成的整體式薄壁零件，當(dāng)壁厚太薄及減重孔太多時，支架加工過程容易發(fā)生變形，導(dǎo)致成形精度難以保證?！谤o橋”衛(wèi)星斜裝動量輪支架采用北京衛(wèi)星制造廠有限公司提供的AlSi10Mg鋁合金選區(qū)激光融化成形工藝（SLM）進(jìn)行加工，支架減重50%。

圖3 “鵲橋”衛(wèi)星動量輪支架

2019年8月發(fā)射升空的千乘一號衛(wèi)星整星結(jié)構(gòu)采用面向增材制造的輕量化三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，通過鋁合金增材制造技術(shù)一體化制備。傳統(tǒng)微小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)質(zhì)量占比為20%左右，整星頻率一般為70Hz左右。千乘一號衛(wèi)星的整星結(jié)構(gòu)質(zhì)量占比降至15%以內(nèi)，整星頻率提高至110Hz，整星結(jié)構(gòu)零部件數(shù)量縮減為5件，設(shè)計及制備周期縮短至1個月。整星結(jié)構(gòu)尺寸超過500mm×500mm×500mm包絡(luò)尺寸，也是目前最大的增材制造一體成形衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，千乘一號衛(wèi)星主承力結(jié)構(gòu)如圖4所示[8]。

圖4 千乘一號衛(wèi)星主承力結(jié)構(gòu)示意圖

五、增材制造技術(shù)在航天領(lǐng)域的發(fā)展趨勢

航天產(chǎn)品對于增材制造技術(shù)的應(yīng)用更強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品的應(yīng)用特色，具體包括：單件個性化、極致輕量化特點(diǎn)，異常復(fù)雜結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣、鏤空、變截面等特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)/功能一體化、高集成度特點(diǎn)，以及太空環(huán)境適應(yīng)性要求的特點(diǎn)。結(jié)合近年來的發(fā)展，增材制造技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢。

1.單件、小批量、快速、低成本

航天產(chǎn)品零部件制造屬于單件小批量研制生產(chǎn)模式，與其他傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，采用增材制造技術(shù)的產(chǎn)品具有設(shè)計自由度寬泛、易于與其他制造技術(shù)集成的特點(diǎn)。增材制造技術(shù)尤其適合制造單件、小批量、個性化零部件，且可大幅縮短產(chǎn)品研發(fā)時間、降低研發(fā)成本。隨著制造設(shè)備和粉末、絲等原材料的價格降低，增材制造的低成本快速研制優(yōu)勢更加明顯。

2.復(fù)雜/功能一體化

衛(wèi)星支架、桁架接頭、節(jié)點(diǎn)球等構(gòu)件制造工藝復(fù)雜，加工難度大。運(yùn)用增材制造技術(shù)，零件成形后的機(jī)械加工余量小、材料利用率高、生產(chǎn)周期短，加工過程即實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件“近凈成形”，零件的制造流程大幅簡化。增材制造技術(shù)還可用于結(jié)構(gòu)功能一體化零件成形，如可以在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中嵌入傳感器、熱管和電子元器件等功能元件，減小復(fù)合材料功能構(gòu)件的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)尺寸。增材制造技術(shù)理論上能成形任意復(fù)雜的形狀，能解放航天器結(jié)構(gòu)工程師的設(shè)計理念，使其在輕量化結(jié)構(gòu)、功能化結(jié)構(gòu)、一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面拓展設(shè)計思路，大膽設(shè)計各種新概念結(jié)構(gòu)。

3.航天器備品、備件“即需即造”

長期在軌服役航天器的部分零部件存在磨損、老化、性能降低乃至失效的風(fēng)險，為此需攜帶大量備品、備件用于修復(fù)或替換受損零部件，不僅增加航天器載重和上行成本，而且占用空間站內(nèi)部儲存空間。通過航天增材制造技術(shù)可實(shí)現(xiàn)航天器修復(fù)或替換用零部件、空間站應(yīng)急所需工具在太空環(huán)境的“即需即造”，顯著降低運(yùn)載載重，節(jié)約任務(wù)成本，同時節(jié)省航天器和空間站內(nèi)部貯存空間。

4.大型空間結(jié)構(gòu)的在軌制造

受運(yùn)載火箭整流罩包絡(luò)所限，桁架、天線等大型結(jié)構(gòu)通常以折疊收攏狀態(tài)發(fā)射，入軌后展開，而折疊收攏對展開機(jī)構(gòu)和折疊方式要求較高，且結(jié)構(gòu)尺寸仍然受限。航天增材制造技術(shù)將改變傳統(tǒng)大型結(jié)構(gòu)設(shè)計制造理念，通過在太空直接制造的方式，有效拓展大型結(jié)構(gòu)的空間尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計的可能性。

六、結(jié)束語

增材制造技術(shù)不受零件形狀和結(jié)構(gòu)的約束，給予設(shè)計更大的自由度，而且以其快速便捷的實(shí)現(xiàn)效果，對產(chǎn)品的原型設(shè)計、方案驗(yàn)證、模樣展示、個性化定制等產(chǎn)生了巨大效益，現(xiàn)階段發(fā)展十分迅速。相對成熟的激光選區(qū)熔化成形、激光熔融沉積成形、電弧增材制造、多材料混合的結(jié)構(gòu)電子一體化成形、高強(qiáng)高耐熱聚合物熔融沉積成形等增材制造技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于運(yùn)載火箭、衛(wèi)星支架、空間站等領(lǐng)域?？梢灶A(yù)見，增材制造技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用將更加普遍，更多的增材制造新技術(shù)、新手段也將被應(yīng)用到航天領(lǐng)域中。