增材制造典型應(yīng)用場景一：基于增材工藝的航天關(guān)鍵零部件整體輕量化設(shè)計
時間：2023-01-03 20:00 來源：增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟 作者：admin 閱讀：次
2022年8月，工業(yè)和信息化部發(fā)布了《首批增材制造典型應(yīng)用場景名單》，經(jīng)過地方推薦、專家評審、社會公示等程序，形成了首批增材制造典型應(yīng)用場景，共有工業(yè)、醫(yī)療、建筑、文化等領(lǐng)域的36個優(yōu)質(zhì)應(yīng)用場景入選。
為加快增材制造先進技術(shù)與裝備應(yīng)用推廣，中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟設(shè)立“增材制造典型應(yīng)用場景案例專欄”，從需求痛點、案例介紹、技術(shù)先進性、應(yīng)用成效、下一步計劃等角度立體展示優(yōu)秀成果案例。
現(xiàn)將第一期“基于增材工藝的航天關(guān)鍵零部件整體輕量化設(shè)計”發(fā)布如下。
一、背景概述
（一）需求痛點
面對新的國際形勢和軍事戰(zhàn)略環(huán)境，航天武器性能要求越來越高，裝備的輕量化、整體化、集成化需求更為緊急與迫切。當前，由于受限傳統(tǒng)制造方法工藝可達性的約束，航天飛行器關(guān)鍵零部件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)減重越來越難，為了追求更輕的減重目標，其結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)制造成本極高，甚至無法制造，已嚴重制約了高性能新型航天飛行器研制。
（二）解決方案
激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)作為最具前景的增材制造技術(shù)之一，直接從數(shù)字化模型制造零部件，理論上可實現(xiàn)任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造，如傳統(tǒng)制造工藝難以制造的點陣、蜂窩和隨形流道等復(fù)雜的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，如圖1所示，為航天飛行器結(jié)構(gòu)輕量化、熱防控等功能需求提供了切實可行的技術(shù)途徑。
二、案例介紹——點陣+蒙皮整體輕量化舵面
（一）案例描述
舵翼類產(chǎn)品是航天飛行器穩(wěn)定控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)飛行器穩(wěn)定飛行及機動的重要部件。其結(jié)構(gòu)輕量化程度不僅影響飛行器機動性和響應(yīng)速率，還對舵機系統(tǒng)輸出功率有重要影響。舵翼類產(chǎn)品隨著制造工藝技術(shù)的不斷進步，從最初的實心板式舵翼到目前主流的骨架蒙皮式翼舵，如圖2所示，其輕量化水平逐漸提高。
針對舵翼類產(chǎn)品輕量化迫切需求，采用了點陣+蒙皮整體輕量化結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)舵翼產(chǎn)品的創(chuàng)新型設(shè)計與制造，舵翼產(chǎn)品內(nèi)部采用點陣結(jié)構(gòu)填充，外面為氣動外形薄壁蒙皮結(jié)構(gòu)，點陣和蒙皮為整體結(jié)構(gòu)，直接整體增材制造成形。
點陣+蒙皮整體輕量化舵面采用激光選區(qū)熔化成形技術(shù)，產(chǎn)品制造裝備為西安鉑力特公司的BLT-S300型激光選區(qū)熔化成形裝備，最大可成形尺寸為250×250×400mm3，如圖 4（a）所示；以及上海探真公司的TS320型激光選區(qū)熔化成形裝備，最大可成形尺寸為320×320×420 mm3，如圖 4（b）所示。
（二）技術(shù)水平及先進性
一是鋁合金點陣+蒙皮整體輕量化折舵面較實心舵面減重65.5%，舵翼結(jié)構(gòu)減重明顯。
二是在給定面載荷下最大等效應(yīng)力小于屈服應(yīng)力，且優(yōu)化后其繞轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量減小65.4%，效果明顯。
三是通過內(nèi)部點陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計，如晶胞結(jié)構(gòu)、布局優(yōu)化等可實現(xiàn)舵翼質(zhì)心的自由調(diào)節(jié)，減少配重使用，甚至可以完全替代傳統(tǒng)配重塊調(diào)節(jié)。
四是工藝簡單，制造周期縮短，成本降低。點陣+蒙皮整體輕量化舵翼結(jié)構(gòu)可直接激光選區(qū)熔化整體成形，無需蒙皮焊接和焊縫檢測等工序。
三、應(yīng)用推廣成效
該類點陣+蒙皮整體輕量化舵翼產(chǎn)品已通過了靜力、展開和掛機飛行展開試驗考核。目前，已穩(wěn)定為某幾個飛行器型號每年配套100余件，有力支撐了型號的研制。
四、下一步提升及推廣
目前，基于增材制造技術(shù)，通過點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造已實現(xiàn)了舵翼類產(chǎn)品的輕量化。后續(xù)將進一步通過新材料和創(chuàng)新微結(jié)構(gòu)設(shè)計在舵翼類產(chǎn)品阻尼性能的防顫振，以及通過微流道結(jié)構(gòu)在舵翼類產(chǎn)品防隔熱等功能性提升方面開展工作，進一步提升舵翼類產(chǎn)品功能性指標。該類產(chǎn)品具有很好的推廣應(yīng)用前景，尤其是未來武器裝備隱身和大機動要求，型號小型化、輕量化需求更加迫切，其推廣價值更大。
（撰寫單位：上海航天精密機械研究所）
為加快增材制造先進技術(shù)與裝備應(yīng)用推廣，中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟設(shè)立“增材制造典型應(yīng)用場景案例專欄”，從需求痛點、案例介紹、技術(shù)先進性、應(yīng)用成效、下一步計劃等角度立體展示優(yōu)秀成果案例。
現(xiàn)將第一期“基于增材工藝的航天關(guān)鍵零部件整體輕量化設(shè)計”發(fā)布如下。
|
場景類型 |
復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品輕量化設(shè)計
|
|
|
場景項目名稱 |
基于增材工藝的航天關(guān)鍵零部件整體輕量化設(shè)計 |
|
|
場景項目單位 |
裝備制造商 |
上海探真激光技術(shù)有限公司、西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司 |
|
服務(wù)提供商 |
上海航天精密機械研究所 |
|
|
應(yīng)用單位 |
中國航天科技集團有限公司 |
|
一、背景概述
（一）需求痛點
面對新的國際形勢和軍事戰(zhàn)略環(huán)境，航天武器性能要求越來越高，裝備的輕量化、整體化、集成化需求更為緊急與迫切。當前，由于受限傳統(tǒng)制造方法工藝可達性的約束，航天飛行器關(guān)鍵零部件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)減重越來越難，為了追求更輕的減重目標，其結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)制造成本極高，甚至無法制造，已嚴重制約了高性能新型航天飛行器研制。
（二）解決方案
激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)作為最具前景的增材制造技術(shù)之一，直接從數(shù)字化模型制造零部件，理論上可實現(xiàn)任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造，如傳統(tǒng)制造工藝難以制造的點陣、蜂窩和隨形流道等復(fù)雜的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，如圖1所示，為航天飛行器結(jié)構(gòu)輕量化、熱防控等功能需求提供了切實可行的技術(shù)途徑。
（a）點陣結(jié)構(gòu)（b）蜂窩結(jié)構(gòu)（c）拓撲結(jié)構(gòu)
圖 1 增材制造創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)
二、案例介紹——點陣+蒙皮整體輕量化舵面
（一）案例描述
舵翼類產(chǎn)品是航天飛行器穩(wěn)定控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)飛行器穩(wěn)定飛行及機動的重要部件。其結(jié)構(gòu)輕量化程度不僅影響飛行器機動性和響應(yīng)速率，還對舵機系統(tǒng)輸出功率有重要影響。舵翼類產(chǎn)品隨著制造工藝技術(shù)的不斷進步，從最初的實心板式舵翼到目前主流的骨架蒙皮式翼舵，如圖2所示，其輕量化水平逐漸提高。
（a）整體夾芯式舵翼（b）加強翼肋夾層結(jié)構(gòu)舵翼（c）骨架蒙皮結(jié)構(gòu)舵翼
圖 2 舵翼產(chǎn)品形式
針對舵翼類產(chǎn)品輕量化迫切需求，采用了點陣+蒙皮整體輕量化結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)舵翼產(chǎn)品的創(chuàng)新型設(shè)計與制造，舵翼產(chǎn)品內(nèi)部采用點陣結(jié)構(gòu)填充，外面為氣動外形薄壁蒙皮結(jié)構(gòu)，點陣和蒙皮為整體結(jié)構(gòu)，直接整體增材制造成形。
圖 3 鋁合金點陣+蒙皮整體輕量化折疊空氣舵實物
點陣+蒙皮整體輕量化舵面采用激光選區(qū)熔化成形技術(shù)，產(chǎn)品制造裝備為西安鉑力特公司的BLT-S300型激光選區(qū)熔化成形裝備，最大可成形尺寸為250×250×400mm3，如圖 4（a）所示；以及上海探真公司的TS320型激光選區(qū)熔化成形裝備，最大可成形尺寸為320×320×420 mm3，如圖 4（b）所示。
（a）BLT-S300 型 （b）TS320 型
圖 4 激光選區(qū)熔化成形設(shè)備
（二）技術(shù)水平及先進性
一是鋁合金點陣+蒙皮整體輕量化折舵面較實心舵面減重65.5%，舵翼結(jié)構(gòu)減重明顯。
二是在給定面載荷下最大等效應(yīng)力小于屈服應(yīng)力，且優(yōu)化后其繞轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量減小65.4%，效果明顯。
三是通過內(nèi)部點陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計，如晶胞結(jié)構(gòu)、布局優(yōu)化等可實現(xiàn)舵翼質(zhì)心的自由調(diào)節(jié)，減少配重使用，甚至可以完全替代傳統(tǒng)配重塊調(diào)節(jié)。
四是工藝簡單，制造周期縮短，成本降低。點陣+蒙皮整體輕量化舵翼結(jié)構(gòu)可直接激光選區(qū)熔化整體成形，無需蒙皮焊接和焊縫檢測等工序。
三、應(yīng)用推廣成效
該類點陣+蒙皮整體輕量化舵翼產(chǎn)品已通過了靜力、展開和掛機飛行展開試驗考核。目前，已穩(wěn)定為某幾個飛行器型號每年配套100余件，有力支撐了型號的研制。
四、下一步提升及推廣
目前，基于增材制造技術(shù)，通過點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造已實現(xiàn)了舵翼類產(chǎn)品的輕量化。后續(xù)將進一步通過新材料和創(chuàng)新微結(jié)構(gòu)設(shè)計在舵翼類產(chǎn)品阻尼性能的防顫振，以及通過微流道結(jié)構(gòu)在舵翼類產(chǎn)品防隔熱等功能性提升方面開展工作，進一步提升舵翼類產(chǎn)品功能性指標。該類產(chǎn)品具有很好的推廣應(yīng)用前景，尤其是未來武器裝備隱身和大機動要求，型號小型化、輕量化需求更加迫切，其推廣價值更大。
（撰寫單位：上海航天精密機械研究所）
(責任編輯：admin)
Himed評估不同噴砂磨料在3
粉末粒徑可以控制增材制造
Divergent公司以3D打印技
浙大口腔醫(yī)學院：生物3D打
新型類器官樣神經(jīng)血管球促
推動粘結(jié)劑噴射（鑄造/金最新內(nèi)容
選區(qū)激光熔化增材
大型聚合物3D打印
6K Additive最新
如何打造增材制造
從實驗室走向生產(chǎn)
3D打印在口腔修復(fù)熱點內(nèi)容
