航天科技创新与3D打印技术(下).docx

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航天科技创新与3D打印技术（下）

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上海市航空学会林一平

三、创新技术产品应用

航天科技需要创新，需要3D打印技术的助推。航天器上使用的高性能金属构件激光成形技术是以合金粉末为原料，通过激光熔化逐层沉淀，从零件数模一步直接制造出“近终形”高性能大型构件的技术。这一技术由美国于1992年首先提出并迅速发展。由于高性能金属构件激光成形技术对大型钛合金高性能结构件的短周期、低成本成形制造具有突出优势，在航天装备研制和生产中具有广阔的应用前景，受到各国航天界的高度关注。

1．近净成形攻关

采用3D打印激光直接制造大型钛合金结构件技术确实是一种带有变革性的，短流程、低成本的数字化制造技术，被国内外公认为是对航天器、发动机和燃气轮机等重大工业装备研制与生产具有重要影响的核心关键制造技术之一。从2001年起，钛合金结构件3D打印激光快速成形技术的研究在我国开始受到相关科技管理部门的高度重视，总装备部、国防科工局、国家自然科学基金委员会等在国家“973”计划、“863”计划等主要科技研究计划中，均将钛合金激光直接成形制造技术作为重点项目给予持续资助。在此背景下，国内高校科研团队以实现应用为目标，采用“产学研”相结合的方式，与研究所、设计院等单位展开紧密合作，经过十几年的艰辛努力，在突破钛合金小型次承力结构件激光快速成形及应用关键技术的基础上，突破了钛合金大型复杂整体主承力构件激光成形工艺、内部质量控制、成套装备研制、技术标准建立及关键技术应用，使我国成为迄今国际上唯一实现激光成形钛合金大型主承力关键构件在飞行器上实际应用的国家。

我国在航天器钛合金大型整体主承力结构件3D打印激光快速成形工艺研究、工程化成套装备研发与装机应用关键技术攻关等方面取得了突破性的进展，有效解决了激光快速成形钛合金大型整体主承力结构件“变形开裂”预防、“凝固组织和内部缺陷”控制等问题。

我国原创性的“热应力离散控制”方法，为解决大型钛合金主承力结构件激光快速成形过程零件严重翘曲变形与开裂难题找到了一条新路；其次，发明了激光快速成形双相钛合金“特种热处理”新工艺，获得了综合力学性能优异的显微组织新形态，使激光快速成形钛合金的综合力学性能得到显著提高，为提高航天器等钛合金主承力构件的使用安全性和损伤容限性能找到了一个新的解决方法；再次，突破了激光快速成形TA15钛合金大型结构件内部缺陷和内部质量控制及其无损检验关键技术，航天器构件综合力学性能达到或超过钛合金模锻件水平。

2．展现国内成果

现在，我国采用3D打印激光直接制造技术已经能够为航空、航天业生产出大型整体钛合金构件。2005年7月，我国成功实现了激光快速成形TA15钛合金角盒、TC4钛合金飞行器座椅支座及腹鳍接头等4种钛合金次承力结构件在3种飞行器上的装机应用，零件材料利用率提高了5倍、周期缩短了2／3、成本降低了1／2以上；制造出了世界上迄今尺寸最大的飞行器钛合金大型结构件激光快速成形工程化成套设备，其零件激光融化沉积真空腔尺寸达4米×3米×2米。我国钛合金3D打印制造的一种大型承力零件，其特点是既减少了零件数，又紧凑了结构设计；同时还减轻了重量，实现了承力、支撑和连接功能的一体化。我国在2009年用3D打印激光直接制造技术制成的钛合金主风挡窗框，能为国产C919喷气客机的机头承受巨大的动压。在此之前只有欧洲一家公司能够制造该产品，仅每件模具费就高达50万美元，而利用激光快速成形技术制作的零件成本不及模具的l／10;2010年，利用激光直接制造C919中央翼根肋，传统锻件毛坯重达1607千克，而利用激光成形技术制造的精坯重量仅为136千克，节省了91.5%的材料，并且经过测试，其性能比传统锻件还要好。

3D打印激光快速成形先进技术无需大型、超大型锻造装备、锻压模具；材料利用率高；数控加工时间短；生产周期短；制造成本低；具有“超快速反应”及“现场快速修复”能力。该技术使得高性能材料制备与复杂零件“近净成形”一体化；综合力学性能优异；能够获得细小均匀的快速凝固组织；零件可以反复“无热损伤修复”；获得高性能梯度组织、梯度材料零件直接“近净成形”。

3．解决衣食住行

在人类漫长的空间航行和征服宇宙的过程中，必须解决宇航员衣、食、住、行的现实问题。倘若处在近地空间轨道，靠货运飞船补给还比较容易。倘若人类处在月球环境下要长期生存，靠地面补给难度就增加了。倘若人类处在火星环境中要生存，问题就变成了难题。尤其是需要在当地开采资源、建工厂、建生活功能区等，就不能完全依靠地球的物资、器材支援，也不可能从地面搬大型机器设备上去，因此解决衣、食、住、行需要靠自力更生，因地制宜，而此刻宇航员有了3D打印机等必备的袖珍设备就能帮助解决许多实际难题。

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