淺談增材制造技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

白亞洲，張建龍，王勝利，令狐榮奎，靳向濤

（首都航天機械有限公司，北京 100071）

0 引言

增材制造（Additive Manufacturing,AM）技術(shù)俗稱3D 打印、快速成形技術(shù)、分層制造技術(shù)，是一種采用材料逐級累加的方式生產(chǎn)零部件的技術(shù)，不同于傳統(tǒng)的減材加工（切削加工等）工藝，它自下而上加工生產(chǎn)零件[1-2]。增材制造技術(shù)以三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，結(jié)合計算機軟件、機械制造、智能制造等學(xué)科，通過軟件和數(shù)控系統(tǒng)將材料分層堆積成形為零件實體[3]。近年來，增材制造技術(shù)受到了各國政府的高度重視，推動了增材制造技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。2015年發(fā)布的《中國制造2025》中提到，增材制造是發(fā)展智能裝備，推進(jìn)制造與生產(chǎn)智能化、自動化的關(guān)鍵技術(shù)。目前，增材制造技術(shù)被應(yīng)用于航空航天、汽車制造、醫(yī)療器械、電子消費和國防軍事等多個行業(yè)領(lǐng)域。

隨著中國航天工業(yè)的高速發(fā)展，中國年度航天發(fā)射次數(shù)多次位居全球第一，航天活動涉及的門類涵蓋載人航天、探月工程、衛(wèi)星導(dǎo)航等多方面，中國已經(jīng)是真正意義上航天制造大國。但距離美國、俄羅斯等航天制造強國還有一定的差距，為加快我國邁向航天制造強國的步伐，迫切需要制造方法的革新帶動航天工業(yè)的進(jìn)步。

相比于傳統(tǒng)的減材工藝技術(shù)，增材制造技術(shù)具有柔性高、加工不需要模具、工藝流程簡單、加工周期短、加工的零部件結(jié)構(gòu)強度高等優(yōu)點，尤其符合當(dāng)下航天領(lǐng)域裝備對生產(chǎn)高效率、產(chǎn)品質(zhì)量高可靠性、研制成本低、響應(yīng)快速等方面的需求。因此，增材制造技術(shù)對推進(jìn)建設(shè)航天制造強國具有重要意義[4-6]。

1 增材制造技術(shù)

增材制造技術(shù)從1980 年誕生至今，一直是制造工業(yè)的研究熱點，尤其是近年來受到很多發(fā)達(dá)國家的重視，發(fā)展迅速，目前已有20 多種成形工藝。按原材料分，可分為非金屬、金屬增材制造技術(shù)；按能量源分，可分為電子束、激光束、電弧增材制造技術(shù)；按材料進(jìn)給方式分，可分為預(yù)置式、同步供給式增材制造技術(shù)?，F(xiàn)階段，應(yīng)用廣泛且典型的成形工藝有熔融沉積成形（FDM）、激光選區(qū)成形（SLS/SLM）、液態(tài)光固化成形（SLA）、激光沉積成形（LMD）、分層實體制造等[7-9]。

1.1 電子束增材制造技術(shù)

常用的電子束增材制造技術(shù)主要有兩種，熔融沉積成形（FDM）技術(shù)和選區(qū)熔化技術(shù)[10]。熔融沉積成形技術(shù)是將絲狀原材料加熱熔化后加工成形，技術(shù)原理如圖1 所示，絲狀原材料進(jìn)入加熱裝置內(nèi)受熱熔化后以液滴的形式連續(xù)從噴嘴中擠出，按計算機軟件設(shè)計好的路徑從下而上堆積成形。FDM 技術(shù)使用的原材料一般為尼龍、石蠟等熱塑性材料。FDM 技術(shù)材料利用率比較高，最高可達(dá)100%，加工成本較低，后期處理過程相對簡單，但使用具有局限性，只適用于加工中小型模型，加工速度慢，成形效率低，成形時間長，而且零件在厚度方向強度較弱[11]。

圖1 FDM 技術(shù)原理

電子束選區(qū)熔化技術(shù)適合加工小型、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，成形材料涵蓋了不銹鋼、鋁合金、銅合金等常見合金，同時也可加工如鈷基合金、鎳基合金、鈦合金等特殊合金材料[12]。電子束選區(qū)熔化技術(shù)加工速度快、功率大，能量利用率高，運行成本低，設(shè)備維護性好，可以使高溫材料直接成形，能夠解決材料難熔難加工的問題，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、醫(yī)療等行業(yè)。

1.2 激光增材制造技術(shù)

以激光為主要熱能源的加工成形工藝被稱為激光增材制造技術(shù)。激光作為高能量束，能量密度高，可短時間內(nèi)將溫度升高，因此可以完成難加工金屬的制造，如鈦合金、高溫合金等。激光直接沉積（LMD）技術(shù)和激光選區(qū)熔化（SLM）技術(shù)是發(fā)展比較成熟的兩種成形工藝[13]。

激光直接沉積（LMD）技術(shù)基于堆焊原理，將原材料直接沉積增材加工成零件毛坯，然后再通過減材制造保證零件尺寸[14]。其技術(shù)原理圖如圖2所示，利用激光的高能量使金屬粉末和基材熔化后在熔池上方沉積，冷卻凝固后形成熔覆層。利用計算機軟件控制激光頭和送粉噴嘴運動，最終形成整個金屬零件。LMD 技術(shù)生產(chǎn)過程不需要模具，機加工量較小，材料利用率較高，工藝相對簡單，生產(chǎn)制造時間較短；柔性高，響應(yīng)速度快，適合加工制造大型結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)不復(fù)雜的零部件。

圖2 LMD 技術(shù)原理

激光選區(qū)熔化（SLM）技術(shù)是基于金屬粉末掃描熔化的成形技術(shù)，掃描路徑按照三維CAD 模型預(yù)先規(guī)劃，掃描過的金屬粉末在激光束的作用下快速熔化、冷卻凝固成形[15]。為使金屬粉末快速熔化，激光選區(qū)熔化技術(shù)采用高功率密度的激光器，這點與激光直接沉積技術(shù)有所區(qū)別。SLM 技術(shù)原理圖如圖3 所示，使用該成形工藝可直接加工成零件的最終狀態(tài)，省去了其中的許多轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。SLM 技術(shù)制造的零件力學(xué)性能和表面質(zhì)量較好，但零件尺寸會受到鋪粉工作箱的限制。SLM 技術(shù)不適合加工大型的整體零件，比較適合制造具有復(fù)雜形狀或內(nèi)部異性的零件[16]。

激光增材制造技術(shù)在短短30 年左右的時間里，發(fā)展飛速，形成了以激光直接沉積技術(shù)和激光選區(qū)熔化技術(shù)為代表的多種成形工藝。與傳統(tǒng)的金屬制造技術(shù)相比，激光增材制造技術(shù)具有柔性高、工藝流程簡單、生產(chǎn)周期短、快速響應(yīng)能力好、可加工材料范圍廣的突出優(yōu)勢，尤其是在加工鈦合金、高溫合金、非晶合金等特殊材料方面。因此，激光增材制造技術(shù)迅速成為生產(chǎn)加工航空航天領(lǐng)域中高性能復(fù)雜構(gòu)件和生物醫(yī)療領(lǐng)域中多孔復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的主要技術(shù)手段之一。

1.3 電弧增材制造技術(shù)

電弧增材制造技術(shù)采用逐層堆焊的方式，以電弧作為載能束，通過添加絲材，在計算機的控制下根據(jù)三維數(shù)模逐級制造金屬零件。與采用金屬粉末作為原材料的增材技術(shù)相比，電弧增材制造技術(shù)材料利用率高、成形速度快、設(shè)備成本低，對成形件尺寸限制低。尤其在大尺寸復(fù)雜構(gòu)件低成本、高效快速成形這方面，具有其他增材制造技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢[17]。

2 增材制造技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

美國的Aerojet公司在2017年點火測試的火箭發(fā)動機Bantam 是采用增材制造技術(shù)加工而成的，其推力室、渦輪泵、噴嘴等關(guān)鍵零部件通過3D 打印一體化加工制造，火箭發(fā)動機點火試驗如圖4所示[18]。采用增材制造技術(shù)加工制造火箭發(fā)動機，能夠降低成本，縮短加工周期，比較適合小型運載火箭。軌道ATK 公司采用激光選區(qū)熔化成形工藝制造的超燃沖壓發(fā)動機的燃料泵如圖5 所示。傳統(tǒng)機械加工制造的火箭發(fā)動機燃料泵由數(shù)百個零件組成，采用增材制造技術(shù)一體化制造后，零件減少了45%，大大縮短了加工周期，降低了生產(chǎn)成本[19-20]。

圖4 增材制造技術(shù)加工的火箭發(fā)動機點火試驗

圖5 增材制造技術(shù)打印的燃料泵

首都航天機械有限公司自2012 年開始研究金屬增材制造技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用，目前已累計完成2 000 余件產(chǎn)品的研制與生產(chǎn)，包括運載火箭發(fā)動機葉輪、液氧頂蓋、保護罩，箭體結(jié)構(gòu)安溢活門、管路支架、配重支架，以及艙外航天服頭盔、面罩、風(fēng)管等[21]。通過對激光熔化沉積技術(shù)和電弧熔絲增材制造技術(shù)的研究，實現(xiàn)了航天大型鈦合金骨架、支座、位移接頭等大尺寸、難加工金屬材料的高效制造，從而提高了材料利用率，降低了生產(chǎn)成本，加快了研制進(jìn)程。例如，上下捆綁支座實現(xiàn)等強度減重40%以上，尾翼接頭實現(xiàn)生產(chǎn)周期縮短50%。增材制造技術(shù)加工的大尺寸航天產(chǎn)品如圖6所示。

圖6 增材制造技術(shù)加工的大尺寸航天產(chǎn)品

2019 年發(fā)射的嫦娥四號中繼衛(wèi)星“鵲橋”上的動量輪支架，采用增材制造技術(shù)加工完成[22]，如圖7 所示。在傳統(tǒng)的設(shè)計制造中，該零件一般采用鋁合金棒料機械加工而成，為保證支架重量，加工過程容易發(fā)生變形，導(dǎo)致成形精度差?！谤o橋”衛(wèi)星動量輪支架采用激光選區(qū)熔化成形工藝加工完成，減重50%。

圖7 “鵲橋”衛(wèi)星動量輪支架

航天工業(yè)的不斷發(fā)展進(jìn)步，對航天領(lǐng)域零部件結(jié)構(gòu)提出了更高的要求，對航天制造技術(shù)來說是更大的挑戰(zhàn)。增材制造技術(shù)是解題的“關(guān)鍵手”，相對于傳統(tǒng)的減材制造，增材制造技術(shù)受零件形狀和結(jié)構(gòu)的約束小，能夠給予設(shè)計更大的自由度，而且在型號快速響應(yīng)方面效果顯著，采用增材制造技術(shù)加工的產(chǎn)品越來越多，涵蓋了空間站、深空探測、運載火箭、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)、導(dǎo)彈武器等多個領(lǐng)域。

3 結(jié)束語

增材制造技術(shù)憑借其突出的優(yōu)勢，在航天領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)在運載火箭、導(dǎo)彈武器、衛(wèi)星支架、空間站等航天制造領(lǐng)域中占有無法取代的地位。隨著國家加大對增材制造技術(shù)的研究與投入力度，增材制造技術(shù)會越來越成熟，將有力地促進(jìn)我國航天制造業(yè)的發(fā)展，推動我國由航天制造大國向航天制造強國邁進(jìn)。