航天器通風(fēng)結(jié)構(gòu)激光選區(qū)熔化成形技術(shù)研究

王 震 鞏維艷 祁俊峰 趙長(zhǎng)喜

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航天器通風(fēng)結(jié)構(gòu)激光選區(qū)熔化成形技術(shù)研究

王 震 鞏維艷 祁俊峰 趙長(zhǎng)喜

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

分析了目前航天器中薄壁鋁合金通風(fēng)結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)加工工藝過程中存在的問題。基于激光選區(qū)熔化成形技術(shù)（SLM）開展了薄壁鋁合金通風(fēng)結(jié)構(gòu)的3D打印技術(shù)研究。研究分析了航天器薄壁結(jié)構(gòu)SLM成形的工藝性、成形工藝支撐設(shè)計(jì)和成形工藝過程控制，總結(jié)了薄壁鋁合金結(jié)構(gòu)SLM成形的技術(shù)要點(diǎn)。結(jié)合我國(guó)航天器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)SLM技術(shù)的應(yīng)用研究提出幾點(diǎn)建議。

鋁合金；薄壁；SLM；3D打印

1 引言

鋁合金零件具有重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、相對(duì)強(qiáng)度較高的特點(diǎn)，為了滿足減重需求，航天器中大量采用薄壁鋁合金結(jié)構(gòu)[1]，如空間站艙體壁板、通風(fēng)結(jié)構(gòu)等。激光選區(qū)熔化成形技術(shù)是一種適用于金屬材料增材制造（俗稱3D打?。┑募夹g(shù)，是利用激光逐層燒結(jié)熔化粉末成形的技術(shù)[2]。SLM技術(shù)以激光器為熱源，將金屬粉末快速熔化，能夠直接成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高精度、高致密度的零件[3]。對(duì)于鋁合金薄壁零件，其SLM成形的主要難點(diǎn)為原始設(shè)計(jì)模型SLM成形工藝性差，工藝支撐難去除，薄壁結(jié)構(gòu)成形過程工藝穩(wěn)定性差等問題。本文基于SLM成形技術(shù)，開展薄壁鋁合金零件增材制造技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的一次性成形。

2 薄壁結(jié)構(gòu)SLM成形的工藝性研究

基于傳統(tǒng)制造工藝設(shè)計(jì)的模型適用于減材制造模式，與基于增材制造方式的SLM技術(shù)是相矛盾的[4～6]。在增材制造技術(shù)得到廣泛關(guān)注之前，航天產(chǎn)品中的鋁合金零件是基于傳統(tǒng)制造工藝設(shè)計(jì)的，通過鑄造、機(jī)械加工、鈑金焊接等工藝方法成形，鑄造和鈑金焊接成形方式加工后的零件易變形超差，設(shè)計(jì)零件結(jié)構(gòu)時(shí)需要考慮后續(xù)機(jī)械加工的工藝性問題，復(fù)雜薄壁鋁合金結(jié)構(gòu)存在加工難度大，易變形，材料利用率低，加工周期長(zhǎng)等問題，尤其是壁厚2mm以下的零件，加工難度更大。

航天器中通風(fēng)結(jié)構(gòu)的壁薄、強(qiáng)度低、剛性差，傳統(tǒng)制造方式依靠鈑金焊接拼接成形，依靠的工裝多，加工工序多，導(dǎo)致零件加工周期長(zhǎng)，成本高，焊點(diǎn)、焊縫多，變形難控制，廢品率高。某型號(hào)通風(fēng)結(jié)構(gòu)壁厚1mm，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單件產(chǎn)品若采用模具成形會(huì)導(dǎo)致成本過高，而采用機(jī)械加工的方式又難以直接加工出整體結(jié)構(gòu)，故原始模型中將通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為多個(gè)分體零件，然后焊接成形，導(dǎo)致樣件變形嚴(yán)重，無法滿足使用要求。

薄壁鋁合金通風(fēng)結(jié)構(gòu)原始設(shè)計(jì)零件的整體剛性較差，直接采用SLM成形，零件自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足以抵抗熱應(yīng)力變形，引起開裂、撞擊鋪粉刮刀等問題，無法利用原始模型直接SLM成形。因此，綜合分析SLM成形工藝約束條件，優(yōu)化設(shè)計(jì)零件結(jié)構(gòu)，是鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)SLM成形的重要步驟之一。通風(fēng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的對(duì)比圖如圖1所示，一方面將原始模型中點(diǎn)連接的結(jié)構(gòu)形式改為整體結(jié)構(gòu)，去除中間支撐座，增大加強(qiáng)筋高度，由加強(qiáng)筋貫穿整體結(jié)構(gòu)，形成一體化結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)零件自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提高零件在SLM成形過程中抗變形能力；另一方面在零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)交叉連接處設(shè)置圓角過渡，減少直角結(jié)構(gòu)引起的應(yīng)力集中問題，避免薄壁開裂現(xiàn)象的發(fā)生。

圖1 通風(fēng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的對(duì)比圖

3 薄壁結(jié)構(gòu)SLM成形的工藝支撐設(shè)計(jì)技術(shù)

在SLM成形過程中，支撐設(shè)計(jì)技術(shù)是零件成功打印的關(guān)鍵技術(shù)之一。支撐結(jié)構(gòu)可以分為以點(diǎn)、線、面形式的弱支撐和以塊、體形式的強(qiáng)支撐兩大類。支撐與零件的連接方式分為以線、面為主的強(qiáng)連接和以點(diǎn)連接為主的弱連接兩大類。在SLM成形過程中，支撐過弱會(huì)引起零件翹曲、開裂、錯(cuò)層等問題，支撐過強(qiáng)則使得后處理去除困難，如圖2所示。因此，支撐結(jié)構(gòu)和連接方式的合理選擇是支撐設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)。

圖2 常見支撐設(shè)計(jì)問題

薄壁零件支撐設(shè)計(jì)示意圖如圖3所示。常規(guī)SLM成形中，為方便支撐去除，盡量采用弱連接的方式，支撐區(qū)域較大的地方采用強(qiáng)支撐來保證支撐自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)考慮支撐去除難度，選擇性地選用強(qiáng)、弱連接形式，對(duì)于鋁合金薄壁零件，由于其壁厚薄，導(dǎo)致零件與支撐接觸面積縮小，支撐結(jié)構(gòu)工藝性原因縮減為弱支撐，在熱應(yīng)力影響較大的區(qū)域需要采用強(qiáng)連接的方式進(jìn)行彌補(bǔ)。針對(duì)鋁合金薄壁零件SLM成形性能，采用支撐與基板強(qiáng)連接，與零件弱連接，強(qiáng)、弱支撐相結(jié)合的方式，解決薄壁結(jié)構(gòu)SLM成形的難題。

圖3 薄壁零件支撐設(shè)計(jì)示意圖

自支撐結(jié)構(gòu)是結(jié)合零件SLM成形工藝性對(duì)功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)形式，是增材制造最佳的支撐設(shè)計(jì)形式，為解決去支撐過程中薄壁結(jié)構(gòu)變形問題提供了有效途徑。鋁合金薄壁通風(fēng)結(jié)構(gòu)的自支撐設(shè)計(jì)模型圖，如圖4所示?？紤]SLM自由成形極限角度，將零件通風(fēng)片與基板的夾角調(diào)整為不小于45°，原有懸臂梁結(jié)構(gòu)改為由通風(fēng)片支撐，保證零件從下往上順序生長(zhǎng)成形，實(shí)現(xiàn)零件的自支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同時(shí)，改變零件與基板間常規(guī)設(shè)置支撐的方式，由基板直接生長(zhǎng)成形，并在零件與基板間設(shè)置工藝圓角，如圖5所示。一方面增大零件與基板的接觸面積，提高與基板的結(jié)合強(qiáng)度，抵抗成形過程中熱應(yīng)力變形，另一方面避免支撐與基板直角連接處應(yīng)力集中開裂，影響成形過程。自支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和直接生長(zhǎng)成形方式的選擇，解決了薄壁結(jié)構(gòu)去支撐過程中零件變形的難題。

圖4 自支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型圖

圖5 基板工藝圓角設(shè)計(jì)

4 鋁合金薄壁件SLM成形的工藝過程控制技術(shù)

在零件打印過程中，刮刀鋪粉過程的穩(wěn)定性是影響SLM成形過程的主要因素。在刮刀行進(jìn)過程中，主要受來自已成形區(qū)域零件接觸面阻力的影響，接觸面積越大阻力越大，合理選擇零件擺放角度，控制零件成形方向，保證刮刀與已成形零件區(qū)域接觸面積的穩(wěn)定性，是提高SLM成形過程穩(wěn)定性的主要工藝措施。

圖6 零件成形方向控制

在薄壁結(jié)構(gòu)SLM成形過程中，零件與刮刀的接觸面積越大，刮刀對(duì)零件的沖擊越大，零件變形錯(cuò)層的概率越高。零件成形方向控制圖如圖6所示，通過調(diào)整零件擺放角度，減小零件與刮刀的接觸面積，提高零件成形工藝穩(wěn)定性。同時(shí)，在零件外輪廓設(shè)置工藝圓角，保證零件與刮刀逐漸接觸，一方面可以降低刮刀對(duì)零件的瞬間沖擊力，避免外輪廓尖角與刮刀互相損傷，另一方面可以減少應(yīng)力集中，避免薄壁拐角開裂，提高零件SLM成形成功率。

選用德國(guó)EOS AlSi10Mg粉末，在EOS290設(shè)備上，參數(shù)選取激光功率370W，掃描速率1300mm/s，掃描間距為0.19mm，層厚40μm[7]，成功打印鋁合金薄壁通風(fēng)結(jié)構(gòu)，如圖7所示。制件尺寸精度優(yōu)于±0.1mm，隨爐試棒抗拉強(qiáng)度達(dá)到290MPa以上，測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。通過了振動(dòng)、通風(fēng)試驗(yàn)，滿足型號(hào)使用需求，零件由分體結(jié)構(gòu)變?yōu)檎w結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)可靠性，同時(shí)縮短了研制周期（由160h縮至20h）。

圖7 SLM成形的航天器某通風(fēng)結(jié)構(gòu)

表1 隨爐試棒拉伸性能測(cè)試數(shù)據(jù)

試棒編號(hào)抗拉強(qiáng)度/MPa屈服強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa斷后伸長(zhǎng)率/%斷面收縮率/% 方1#29419179.519.544.0 方2#29619282.016.545.0 方3#29719480.515.044.0 圓1#29819371.515.528.5 圓2#29819375.514.531.5 圓3#29919572.013.031.5

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，航空航天領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品的輕量化、結(jié)構(gòu)功能一體化需求不斷增強(qiáng)，快速發(fā)展的增材制造技術(shù)為產(chǎn)品研制提供了新的技術(shù)途徑。SLM技術(shù)非常適合應(yīng)用于多品種、小批量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、原材料價(jià)值量高的結(jié)構(gòu)制造，因此在航空航天領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用研究[7]。針對(duì)SLM技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用研究，提出以下幾點(diǎn)建議。

a. 樹立基于增材制造的設(shè)計(jì)理念。基于增材制造技術(shù)，開展拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)航空航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)輕量化的需求；結(jié)合仿生技術(shù)應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)零部件產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)，提升產(chǎn)品的綜合性能。

b. 研發(fā)適用于SLM成形的高性能材料。目前，能夠工業(yè)化應(yīng)用的金屬粉末品種較少，其性能相對(duì)傳統(tǒng)鍛件較差，極大地限制了SLM技術(shù)的推廣應(yīng)用，開展適用于SLM成形的高性能金屬粉末研究是增材制造領(lǐng)域一個(gè)重要的研究方向。

c. 建立SLM成形零件的檢測(cè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。SLM成形的零件質(zhì)量、性能評(píng)價(jià)尚未建立起成熟的標(biāo)準(zhǔn)體系，對(duì)于SLM零件孔隙、裂紋、未熔區(qū)域和夾雜等缺陷，缺乏快速有效的檢測(cè)手段和規(guī)范的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，開展SLM零件檢測(cè)技術(shù)研究和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系的建立，是我國(guó)航空航天領(lǐng)域SLM技術(shù)應(yīng)用必須解決的問題。

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Research on Selective Laser Melting Technology of Spacecraft Ventilation Structure

Wang Zhen Gong Weiyan Qi Junfeng Zhao Changxi

(Beijing Spacecrafts Co., Ltd., Beijing 100094)

The problems of thin-walled aluminium alloy ventilation structure in spacecraft are analyzed. 3D printing of thin-walled aluminium alloy ventilation structure was studied based on selective laser melting (SLM) technology. The technological properties, supporting design and the control of forming process are studied about thin-walled aluminium alloy structure of spacecraft, and the main technical points of SLM are summarized. According to the structral characteristics and development of China aerospace products, the suggestions for application of SLM are put forward.

aluminium alloy；thin-wall；selective laser melting；3D printing

國(guó)防基礎(chǔ)科研計(jì)劃項(xiàng)目（JCKY2016606C010）和“十三五”裝備預(yù)研共用技術(shù)課題（41423030516）。

王震（1986），高級(jí)工程師，機(jī)械制造及自動(dòng)化專業(yè)；研究方向：高效加工技術(shù)、航天器結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)。

2018-08-09