先進(jìn)增材制造技術(shù)在航天產(chǎn)品上的推廣應(yīng)用

◎首都航天機(jī)械有限公司羅志偉 陳靖 王福德 趙衍華 朱瑞燦 陳金存 倪江濤 嚴(yán)振宇

增材制造技術(shù)發(fā)展迅速，已成為先進(jìn)制造業(yè)的重要組成部分，首都航天機(jī)械有限公司不斷拓展增材制造技術(shù)在航天產(chǎn)品上的應(yīng)用，取得了較好的成效。本文對典型增材制造技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用需求進(jìn)行分析，介紹了先進(jìn)增材制造技術(shù)在型號方案快速響應(yīng)、創(chuàng)新結(jié)構(gòu)產(chǎn)品研制、難加工產(chǎn)品高效益制造等方面的應(yīng)用，并提出了其未來發(fā)展設(shè)想。

一、概述

增材制造（3 D打?。┘夹g(shù)基于離散-堆積原理，以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過軟件和數(shù)控系統(tǒng)直接制造出復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，是一項數(shù)字化先進(jìn)制造技術(shù)。具有明顯的“短流程、低消耗、高柔性、環(huán)境友好、結(jié)構(gòu)-功能一體化、設(shè)計-制造一體化”等優(yōu)勢，特別適合高復(fù)雜度、難加工材料產(chǎn)品的快速、高質(zhì)量研制。隨著航天領(lǐng)域裝備對“結(jié)構(gòu)高效能、質(zhì)量高可靠、研制低成本”的更嚴(yán)苛要求，越來越多的“功能一體化、整體化、輕量化”結(jié)構(gòu)將被應(yīng)用，傳統(tǒng)制造手段難以完全滿足裝備發(fā)展的需求。加之航天制造本身具有的多品種、小批量、快速研制的生產(chǎn)特點，迫切需要制造方法的革新帶動航天制造的進(jìn)步。

根據(jù)對型號產(chǎn)品的梳理統(tǒng)計，總結(jié)出以下幾類典型增材制造技術(shù)應(yīng)用需求：

1、型號預(yù)研階段的方案快速響應(yīng)需求

針對目前航天領(lǐng)域預(yù)研型號數(shù)量多、研制周期緊的特點，瞄準(zhǔn)傳統(tǒng)制造流程在預(yù)研階段的設(shè)計方案更迭頻繁、技術(shù)狀態(tài)多變、響應(yīng)太慢的痛點開展應(yīng)用研究，利用增材制造純數(shù)字化、短流程制造的優(yōu)勢實現(xiàn)設(shè)計-制造高效協(xié)同、制造方案的高效迭代、設(shè)計意圖的快速驗證。

2、型號產(chǎn)品創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計的制造需求

未來航天產(chǎn)品為提升服役性能及可靠性，結(jié)構(gòu)形式將呈現(xiàn)輕量化、整體化、結(jié)構(gòu)功能一體化的創(chuàng)新式發(fā)展趨勢。針對該類制造需求，迫切需要解放設(shè)計約束，通過采用增材制造技術(shù)，解決傳統(tǒng)方法無法經(jīng)濟(jì)制造或根本無法制造的難題。

3、傳統(tǒng)難加工構(gòu)件的高效益制造需求

型號產(chǎn)品金屬艙段、骨架、傳力/支撐結(jié)構(gòu)等大型、超大型鈦合金、高溫合金難加工產(chǎn)品傳統(tǒng)加工難度大、成本高、周期長，經(jīng)常成為型號研制的短板，針對上述難加工構(gòu)件的制造瓶頸，開展增材制造凈成形/近凈成形，減少加工量，降低加工難度，實現(xiàn)降本增效。

二、首都航天機(jī)械有限公司增材制造能力簡介

首都航天機(jī)械有限公司（以下簡稱公司）針對上述需求，自2012 年即開始金屬增材制造技術(shù)研究與工程應(yīng)用。目前已形成了覆蓋“三類熱源、五種方法、十余牌號材料”的金屬增材制造體系，建成了高水平的專業(yè)化人才隊伍，建立了獨立的增材制造中心，擁有核心增材制造裝備十四臺套，技術(shù)方向涵蓋激光選區(qū)熔化、激光熔化沉積、電弧熔絲增材、電子束熔絲增材等，配套設(shè)備近十臺套，具備了型號小規(guī)模批量研制能力。

在上述軟硬件能力支撐下，開展了較深入的技術(shù)基礎(chǔ)研究，已經(jīng)具備了扎實的技術(shù)基礎(chǔ)用于支撐型號應(yīng)用。

在激光選區(qū)熔化成形領(lǐng)域，深入研究多材料體系的超常熔凝行為特點，掌握了超常熔凝條件下的冶金缺陷產(chǎn)生機(jī)理，建立了基于“鋪粉-熔化-凝固-鋪粉”工藝全過程的數(shù)值仿真模型，實現(xiàn)了冶金缺陷、典型微觀組織結(jié)構(gòu)的較準(zhǔn)確預(yù)測。建立了多約束條件下的應(yīng)力、應(yīng)變演化模型，掌握復(fù)雜產(chǎn)品的變形規(guī)律?；诖私⒘嗣嫦蚬こ痰摹俺煞?組織-性能-精度”協(xié)同調(diào)控方法，鈦合金、高溫合金等典型金屬材料力學(xué)性能優(yōu)于鍛件水平，尺寸精度控制最高可達(dá)0.1mm。

在激光熔化沉積成形領(lǐng)域，掌握了鈦合金宏觀晶粒形態(tài)與工藝參數(shù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實現(xiàn)了晶粒形態(tài)的主動控制。探明了其微觀組織變化規(guī)律，掌握了微觀組織特點與性能相關(guān)性，通過主動調(diào)控使力學(xué)性能優(yōu)于鍛件標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)度波動范圍不超過3%。掌握了米級構(gòu)件應(yīng)力分布與變形規(guī)律，建立了應(yīng)力與變形演化模型，實現(xiàn)了成形過程變形預(yù)測。

在電弧熔絲沉積成形領(lǐng)域，研究并首次提出了基于焊絲成分控制、熔滴過渡模式、成形工藝參數(shù)及熱處理制度等匹配協(xié)調(diào)控制的工藝控制原則，實現(xiàn)增材制造產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量和力學(xué)性能的有效控制。突破了基于零件幾何特征的電弧增材路徑規(guī)劃方法，實現(xiàn)大尺寸“懸空曲面”、“艙體內(nèi)網(wǎng)格”、“異形截面”等結(jié)構(gòu)的路徑自主優(yōu)化設(shè)計，并形成相關(guān)前處理軟件。

目前，公司已累計申請增材制造領(lǐng)域發(fā)明/國防專利四十余項，建立了較完善的標(biāo)準(zhǔn)體系，累計編制各級技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)近二十項。

三、增材制造技術(shù)在航天產(chǎn)品上的推廣應(yīng)用

目前公司已累計完成近二十個型號，百余圖號，兩千余件產(chǎn)品的研制與交付，先后實現(xiàn)了9 個型號產(chǎn)品的地面考核試驗，3 個型號產(chǎn)品通過飛行考核，1 個型號產(chǎn)品進(jìn)入定型批產(chǎn)狀態(tài)。在滿足型號“寬約束”的設(shè)計制造一體化、重大關(guān)鍵產(chǎn)品快速研制的需求，以及提升核心制造能力方面發(fā)揮了較好的作用。

（一）在型號方案快速響應(yīng)方面的應(yīng)用

增材制造技術(shù)以其短流程、高柔性、近凈成形的技術(shù)優(yōu)點，可有效滿足以新一代大推力、可重復(fù)使用和高效低成本運載火箭為代表的預(yù)研型號在研制期間頻繁進(jìn)行設(shè)計驗證和迭代的需求。

公司充分發(fā)揮其技術(shù)方向全面、材料體系豐富、技術(shù)基礎(chǔ)扎實、設(shè)備能力強(qiáng)等優(yōu)勢，實現(xiàn)了運載火箭發(fā)動機(jī)葉輪、集合環(huán)、液氧頂蓋、出口集合器法蘭、保護(hù)罩，箭體結(jié)構(gòu)安溢活門、管路支架、配重支架、推力室套筒以及艙外航天服頭盔、面罩、風(fēng)管等幾十型產(chǎn)品的快速研制。其中，新一代運載火箭、液體發(fā)動機(jī)和其他航天裝備均處于預(yù)研階段，大量產(chǎn)品設(shè)計方案需進(jìn)行多次更改和驗證，采用傳統(tǒng)制造工藝難以滿足型號研制進(jìn)度需求。針對這一問題，公司利用增材制造設(shè)計制造一體化信息平臺,幾天內(nèi)完成了設(shè)計方案的驗證和迭代，單件產(chǎn)品全流程生產(chǎn)周期僅1 周左右。某型號長征系列運載火箭是航天一院最新研制的低成本、快速機(jī)動的固體運載火箭，根據(jù)其搭載的載荷不同，衛(wèi)星支架和配重支架的設(shè)計方案需頻繁更改，對產(chǎn)品研制周期提出了較高的要求。公司結(jié)合產(chǎn)品特點，分別采用電弧熔絲增材制造技術(shù)和激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)實現(xiàn)了2 類配重支架的快速研制，全流程生產(chǎn)周期僅10 天，有效滿足了運載火箭快速響應(yīng)的要求，最終產(chǎn)品已搭載運載火箭完成了飛行試驗考核，這也是國內(nèi)航天領(lǐng)域首個通過飛行試驗的電弧熔絲增材制造鋁合金產(chǎn)品。

目前，新型航天裝備需求迫切，軍民融合逐漸深入，民用航天發(fā)展迅速，航天領(lǐng)域預(yù)研背景和型號數(shù)量逐漸增多，型號產(chǎn)品的快速設(shè)計迭代已成為影響型號發(fā)展的重要一環(huán)，增材制造技術(shù)與信息化和數(shù)字化技術(shù)的結(jié)合已成為其中一項重要手段，具有廣泛的應(yīng)用前景。

（二）在創(chuàng)新結(jié)構(gòu)產(chǎn)品研制方面的應(yīng)用

為滿足日益復(fù)雜的服役壞境和對可靠性的更高要求，航天裝備產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式呈現(xiàn)輕量化、整體化、結(jié)構(gòu)功能一體化的創(chuàng)新式發(fā)展趨勢，而傳統(tǒng)制造工藝無法滿足該類產(chǎn)品的制造需求，故可通過采用增材制造技術(shù)，實現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的整體化制造，從而釋放設(shè)計約束。

公司結(jié)合增材制造技術(shù)特點，通過增材制造設(shè)計制造一體化信息平臺，與設(shè)計部門多次對接，反復(fù)迭代優(yōu)化設(shè)計，完成了新一代液體火箭發(fā)動機(jī)五位一體排氣錐、一體化噴注器、一體化二底、一體化篩孔渦流器及其他型號輕量化點陣夾芯套筒、點陣夾芯板折疊舵、整體化推力室和整體化艙段等產(chǎn)品的設(shè)計制造。其中，采用激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)研制的輕量化點陣夾芯套筒和折疊舵在滿足其性能和隔熱等要求的前提下，可實現(xiàn)減重30%以上，攻克了傳統(tǒng)方法無法制造的難題；采用電弧熔絲增材制造的支架結(jié)構(gòu)，在滿足性能要求的前提下，可實現(xiàn)減重20%以上。另外，采用增材制造技術(shù)一體化制造的排氣錐、二底、篩孔渦流器和推力室等產(chǎn)品，將零件數(shù)量由幾個甚至幾十個減少至一個，大幅縮短生產(chǎn)工序和周期，同時在一定程度上提高了系統(tǒng)可靠性。

圖1 增材制造技術(shù)在型號快速響應(yīng)方面的應(yīng)用

圖2 增材制造技術(shù)在創(chuàng)新結(jié)構(gòu)產(chǎn)品研制方面的應(yīng)用

增材制造技術(shù)的發(fā)展，解決了點陣結(jié)構(gòu)、內(nèi)流道結(jié)構(gòu)、空間曲面結(jié)構(gòu)等復(fù)雜產(chǎn)品的制造難題，解放了設(shè)計約束，使得設(shè)計人員可以基于增材制造工藝，采用商業(yè)數(shù)字化軟件和二次開發(fā)相結(jié)合的方法，對產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，從而實現(xiàn)航天產(chǎn)品性能的全面提升，促進(jìn)航天裝備快速發(fā)展。

（三）在難加工產(chǎn)品高效益制造方面的應(yīng)用

航天大型鈦合金骨架、支座、高溫合金殼體等結(jié)構(gòu)通常采用鍛造+機(jī)械加工的生產(chǎn)方式，其加工難度大、生產(chǎn)周期長、材料利用率低、生產(chǎn)成本高，通常成為型號研制的短板。而增材制造技術(shù)具有近凈成形的技術(shù)優(yōu)勢，可實現(xiàn)大尺寸鈦合金和高溫合金等難加工金屬材料的高效制造，從而減少加工難度，加快研制進(jìn)程。

公司前期通過開展激光熔化沉積增材制造和電弧熔絲增材制造技術(shù)研究，完成了新一代長征系列運載火箭捆綁支座、尾翼接頭、氦儲罐等大型鈦合金產(chǎn)品的研制，內(nèi)部質(zhì)量和力學(xué)性能均達(dá)到鍛件水平，其中，上下捆綁支座實現(xiàn)等強(qiáng)度減重40%以上；尾翼接頭實現(xiàn)生產(chǎn)周期縮短50%；氦儲罐是航天領(lǐng)域內(nèi)首個通過液壓試驗考核的電弧增材一米級鈦合金壓力容器產(chǎn)品；而芯級捆綁支座是航天領(lǐng)域迄今為止集中力承載環(huán)境最惡劣的3D 打印產(chǎn)品，公司掌握了其全流程制造關(guān)鍵技術(shù)，產(chǎn)品先后通過了300 噸級和400 噸級的地面考核，并搭載運載火箭順利通過飛行考核驗證。

增材制造近凈成形的技術(shù)特點使其在大尺寸復(fù)雜難加工金屬構(gòu)件研制方面具有巨大優(yōu)勢，其材料利用率遠(yuǎn)高于鍛造+機(jī)加，從而可有效降低成本，縮短周期，目前正在航空航天大尺寸復(fù)雜產(chǎn)品制造領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

三、未來增材制造發(fā)展設(shè)想

增材制造技術(shù)由于天然具有的鮮明數(shù)字化、信息化特點，使其成為最具潛力實現(xiàn)智能制造的方法之一。但目前增材制造技術(shù)在工程應(yīng)用過程中仍存在一些技術(shù)局限性，制約了該技術(shù)方向完全智能化和信息化的實現(xiàn)，相關(guān)問題有待今后一段時期持續(xù)進(jìn)行深入研究。

圖3 增材制造技術(shù)在大尺寸難加工產(chǎn)品研制方面的應(yīng)用

主要體現(xiàn)在：現(xiàn)有增材制造環(huán)節(jié)智能化水平不足；設(shè)計制造一體化不充分，信息共享程度不高；制造過程信息流的數(shù)據(jù)應(yīng)用不充分；理論模型研究欠缺，設(shè)計制造精確性不足。

針對上述問題，建議未來發(fā)展重點開展以下方面研究：

1、重點開展高度智能化的航天特種裝備自主研發(fā)，結(jié)合已有信息化技術(shù)開展智能化分布式產(chǎn)線的開發(fā)與試用；

2、進(jìn)一步強(qiáng)化設(shè)計制造一體化，打通設(shè)計制造間的數(shù)據(jù)交互瓶頸環(huán)節(jié)，搭建高度一體化創(chuàng)新研發(fā)平臺；

3、重視制造環(huán)節(jié)的信息流數(shù)據(jù)收集與應(yīng)用，推進(jìn)過程大數(shù)據(jù)分析等在產(chǎn)品研制過程中的應(yīng)用，通過過程數(shù)據(jù)預(yù)判產(chǎn)品質(zhì)量，并基于此實現(xiàn)參數(shù)閉環(huán)反饋控制；

4、開展面向增材制造的設(shè)計、制造、實驗考核等各環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)理論研究，建立相關(guān)專用數(shù)值模型與數(shù)據(jù)庫，提升設(shè)計、制造精確性。