3D 打印技術在空間站夢天實驗艙上的應用

徐 磊，柏合民，常世杰，朱俊杰，吳 凱，李立春，原 瀟，齊海雁

（1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109；2.上海航天設備制造總廠有限公司，上海 200240）

0 引言

增材制造（俗稱3D 打印）技術作為第三次工業(yè)革命的重要標志，成為近年來材料科學、先進制造技術領域國際前沿研究和競爭的熱點。集數(shù)字化和智能化制造于一體的3D 打印技術代表著先進制造業(yè)的發(fā)展方向。航天飛行器向輕量化、整體化、長壽命、結構功能一體化，以及低成本方向發(fā)展已成為主流趨勢［1-7］。

國際上已經(jīng)有許多通過3D 打印縮短制造周期、節(jié)省成本、零件減重的成功案例。美國的創(chuàng)業(yè)型企業(yè)Optisys 公司，通過仿真技術和金屬激光選區(qū)熔化3D 打印設備對天線進行了設計優(yōu)化與制造。歐洲航天局與ArianeGroup 公司聯(lián)合開發(fā)的Ariane6 火箭VINCI 上面級助推器采用了全新設計的3D 打印火箭發(fā)動機噴嘴。整個噴嘴頭基于3D 打印技術采用了一體化設計，由248 個組件簡化為1 個組件?？湛虯320 托架通過拓撲優(yōu)化設計，采用3D打印技術一體化成形，最終零件僅重326 g，原始零件重量為918 g，減重幅度為64%。在國內(nèi)，千乘一號衛(wèi)星整星結構采用面向增材制造的三維點陣結構，有效提高整星結構質(zhì)量占比，研制周期縮短至1 個月［8］。劉書田、朱繼宏等［9-10］學者提出并總結了拓撲優(yōu)化與增材制造技術結合的應用前景與所面臨的挑戰(zhàn)，王瑞星［11］采用拓撲優(yōu)化方法設計了一種面向3D 打印制造的一體化星敏支架，面向增材制造的拓撲優(yōu)化技術正逐漸成為航空航天領域結構輕量化設計的重要手段之一［12-13］。

本文從實現(xiàn)工程應用角度出發(fā)，以航天器薄壁式異型總裝直屬件等次級結構為對象，在剛度和強度滿足要求的前提下，開展了面向3D 打印技術的總裝次結構研制方法的研究，同時從拓撲優(yōu)化設計、質(zhì)量控制以及振動試驗驗證情況等方面對其在夢天實驗艙上的應用進行了介紹。

1 面向3D 打印技術的次結構研制方法

航天器的次結構主要包括設備安裝機加工支架、鈑金支架、電纜固定支架、管路固定卡箍及支架等，其中鈑金支架已基本不存在減重空間，電纜和管路固定支架體積小，減重空間小。機加工支架基于減重需求一般設計為薄壁式結構，在減材制造時存在材料利用率低且制造周期長等缺點。綜合考慮減重空間、可制造性、力學性能、精度控制等方面因素和要求，確定了3D 打印支架的包絡和配套，供后續(xù)開展適應性分析。

相比于傳統(tǒng)的“設計-仿真校核-改進設計”的次結構研制模式，在減重和保證性能指標前提的要求下，基于3D 打印技術，以仿真優(yōu)化來驅(qū)動次結構的設計，使得復雜次結構的設計、剛度強度分析可以快速閉環(huán)，節(jié)省了研制時間，提高了設計效率。同時，3D 打印拓撲優(yōu)化可簡化結構的復雜度，便于后續(xù)制造環(huán)節(jié)的生產(chǎn)加工，也提高了制造端的生產(chǎn)效率。

面向3D 打印技術的次結構研制流程如圖1 所示，根據(jù)航天器構型和設備布局、設備安裝接口、載荷條件等設計約束條件，以輕量化為目標開展拓撲優(yōu)化設計，建立面向3D 打印的拓撲優(yōu)化支架模型，支架強度剛度校核通過后即可進行3D 打印工藝設計與制造。零件生產(chǎn)完成后，經(jīng)必要的3D 打印質(zhì)量檢測及振動試驗考核合格后方可交付使用。

圖1 面向3D 打印技術的次結構研制流程Fig.1 Development process for the sub-structure oriented to the 3D printing technology

2 直屬件優(yōu)化設計與仿真驗證

2.1 拓撲優(yōu)化設計

采用傳統(tǒng)制造工藝不能充分體現(xiàn)其方法優(yōu)勢，如某發(fā)動機支架采用增材制造工藝的拓撲優(yōu)化設計方案相比傳統(tǒng)鈑金輪廓的拓撲優(yōu)化設計方案，支架減重效果由25%提升至66%［12］。面向3D 打印技術的拓撲優(yōu)化設計該方法直接面向結構載荷工況和設計標準，直接給出空間上所有可能性中的最佳傳力路徑，且生成的最終結構將滿足所有載荷工況和結構標準，甚至還能考慮制造方式和外觀需求。其相對傳統(tǒng)試錯方法，縮短研制周期，結構形式明確，減重效果更明顯。

根據(jù)夢天實驗艙總裝布局結果和載荷條件，對設備配套支架進行拓撲優(yōu)化設計。在支架上的設備安裝面與艙體安裝面之間的區(qū)域建立支架基礎模型，其中支架安裝耳片處和設備連接處設置為非設計空間，其余為設計空間，根據(jù)支架安裝方式設置其艙體安裝點的固定約束，設備使用質(zhì)量點代替。設備支架在優(yōu)化設計時，以最大剛度法為優(yōu)化目標，即求解給定材料空間內(nèi)結構最大剛度的分布形式，約束目標為零件基本頻率優(yōu)于100 Hz。采用Inspire 軟件進行拓撲優(yōu)化，并根據(jù)最佳傳力路徑進行模型光順處理和連接環(huán)節(jié)詳細設計，形成了優(yōu)化設計結果模型，如圖2 所示。

圖2 3D 打印支架優(yōu)化設計模型Fig.2 Optimized design model of the 3D printing bracket

2.2 仿真驗證

針對上述3D 打印支架，使用Abaqus 軟件，建立有限元模型，將支架安裝面固定，設備按質(zhì)量點處理。在夢天實驗艙發(fā)射段載荷條件下，對支架強度進行了校核。仿真結果表明，支架的最大應力不超過41.95 MPa（z向），最小安全系數(shù)大于5，滿足使用要求。x向載荷下夢天實驗艙3D 打印支架強度校核結果如圖3 所示。與傳統(tǒng)機加式零件相比，優(yōu)化設計支架在滿足強度、剛度的前提下，減重效果高達17%。

圖3 x 向載荷下某3D 打印支架應力分布Fig.3 Stress nephogram of a 3D printing bracket under the x-directorial load

3 3D 打印支架制造與質(zhì)量控制

結合3D 打印技術特點及機加工工藝要求，對產(chǎn)品零件進行成形方案設計，采用AlSi10Mg 材料進行支架3D 打印，經(jīng)激光選區(qū)熔化增材制造成形（SLM），可得到拓撲優(yōu)化支架成形件實物，如圖4 所示。成形后，依次進行打印支撐的去除、非加工面表面打磨、機加工等工作。

圖4 某3D 打印支架實物Fig.4 Picture of a 3D printing bracket

根據(jù)金屬增材制造現(xiàn)狀與問題［17-21］，3D 打印設備支架應在完成各項試驗及檢測，并且在滿足設計提出的尺寸、表面以及內(nèi)部質(zhì)量、力學性能等各項指標要求的前提下，才具備裝艙使用條件。

3.1 尺寸及形位公差控制

由于刮刀一層一層重復刮擦運動、激光選區(qū)熔化成形過程的內(nèi)應力、零件結構的影響，3D 打印零件各個截面會產(chǎn)生不同程度的變形。因此異型結構3D 打印完成后，應進行結構的尺寸偏差檢測與截面面積偏差評估。對產(chǎn)品按圖紙要求進行檢驗，目前主要采用游標卡尺、三坐標測量儀等進行測量。對于拓撲優(yōu)化結構，外形非規(guī)則，加工時可以依據(jù)模型切面進行鋪層加工，但檢驗時無法用傳統(tǒng)手段進行，需通過三維掃描的方式進行結構尺寸偏差和形位公差的檢驗。

如圖5 所示，采用三維掃描儀對成形零件進行掃描，形成實際零件的逆向模型，將該模型與原始零件加工數(shù)模進行比對，即可確定加工零件尺寸偏差情況。偏差分析過程中，采用擬合法（體積最佳擬合法）在三維掃描后比對實體模型，并給出制造零件的偏差值。某支架尺寸三維掃描結果如圖5 所示。支架尺寸檢測結果如下，均滿足指標要求。對于不同包絡尺寸的零件的偏差值，隨著高度的增加，精度偏差變大。

圖5 3D 打印支架尺寸三維掃描偏差分析Fig.5 3D scanning deviation analysis on the 3D printing bracket

1）包絡單個尺寸≤200 mm，最大偏差不超過±0.8 mm；

2）包絡尺寸在200～400 mm 之間的支架，其最大偏差在±1.5 mm 范圍內(nèi)；

3）包絡尺寸≥400 mm 的支架，其最大偏差在±2 mm 范圍內(nèi)；

4）支架實際截面面積與理論模型面積偏差均不大于5%。

為滿足設備安裝精度需求，3D 打印支架安裝面的形位公差均通過支架產(chǎn)品裝艙后的整體機加工來保證。

3.2 質(zhì)量檢驗

在零件支架完成機加工后，按《滲透檢驗》HB/Z 61—1998 標準對成形件進行熒光滲透檢驗。經(jīng)滲透檢查，所有支架零件表面均無裂紋及孔洞，滿足要求。

采用工業(yè)CT 檢查的方法對3D 打印支架的內(nèi)部質(zhì)量進行檢驗。如圖6 所示，檢驗時按標準及設計要求對產(chǎn)品壁厚、內(nèi)部裂紋、內(nèi)部氣孔、未融合區(qū)域等缺陷的尺寸、面積、位置，以及相鄰缺陷間的間距均進行了檢查。經(jīng)CT 檢測，單個支架內(nèi)部缺陷數(shù)量不超過5 個，單個最大缺陷直徑0.731 mm 滿足不大于1 mm 的指標要求，相鄰缺陷間的間距大于3倍的較大缺陷尺寸，所有3D 打印支架的內(nèi)部質(zhì)量均滿足指標要求。

圖6 3D 打印支架內(nèi)部質(zhì)量檢測照片F(xiàn)ig.6 Pictures of the 3D printing bracket internal quality inspection

3.3 力學性能檢測

在成形過程中，每版零件（即每爐次產(chǎn)品）在零件四周至少排布6 橫6 縱隨爐試樣，保證試樣與支架的成形狀態(tài)相同。打印成形完成后，采用線切割將試樣取下，制成標準拉伸試樣進行了拉伸強度、屈服強度、延伸率測試。經(jīng)測試，支架同批次試樣的平均抗拉強度不小于291 MPa，平均屈服強度不小于231 MPa，平均斷后延伸率不小于8.0%，均滿足力學性能要求。

4 試驗驗證情況

為驗證基于3D 打印技術的直屬件研制方法的正確性，進一步考核拓撲優(yōu)化3D 支架是否滿足力學環(huán)境指標要求，以及確定在規(guī)定的力學環(huán)境條件下，支架某些關鍵點處的力學響應大小，選取某支架進行了正弦振動和隨機振動試驗。如圖7 所示，根據(jù)實際工況設計了設備質(zhì)量模擬件，使用振動工裝來模擬設備質(zhì)量模擬件與支架在艙體上的相對角度和位置。

圖7 3D 打印支架振動試驗狀態(tài)Fig.7 Vibration test state of the 3D printing bracket

根據(jù)《運載器、上面級和航天器試驗要求》GJB 1027 進行正弦振動試驗。振動試驗中，振動加速度響應測點（每個測點x、y、z三個方向）安裝位置如表1 和圖7 所示。經(jīng)x、y、z三方向正弦振動試驗驗證，正弦試驗前后的預復振曲線吻合較好，支架與振動工裝連接處及支架與設備連接處的加速度均基本無放大。支架x向正弦振動響應曲線如圖8 所示，其中，S4、S5、S6通道分別對應測點1（支架與振動工裝連接處一側(cè)）的x、y、z三個方向，S7、S8、S9通道分別對應測點2（支架與振動工裝連接處另一側(cè)）的x、y、z三個方向，S10、S11、S12通道分別對應測點3（支架與設備連接處）的x、y、z三個方向。x、y、z三向隨機振動試驗測點與正弦振動測點一致，測點數(shù)據(jù)表明支架與振動工裝連接處兩側(cè)總均方根加速度值放大倍數(shù)基本無放大，支架與設備連接處放大倍數(shù)不超過2.46 倍。試驗完畢后經(jīng)檢測，支架未出現(xiàn)異常變形及新增缺陷，成功通過振動試驗考核。

表1 振動控制點及測點位置Tab.1 Positions of the vibration control points and measuring points

圖8 3D 打印支架x 向驗收級正弦振動響應曲線Fig.8 Sine vibration response curves of the 3D printingbracket under the x-directional load

5 結束語

本文介紹了3D 打印技術在空間站夢天實驗艙的總裝直屬件中的應用情況，提出了基于3D 打印技術的直屬件研制方法，對直屬件拓撲優(yōu)化設計以及質(zhì)量控制措施進行了闡述，選取典型3D 打印支架進行了振動試驗驗證，試驗結果表明，3D 打印支架實現(xiàn)了有效減重增效。