先進增材制造技術在航天產品上的推廣應用

◎首都航天機械有限公司羅志偉 陳靖 王福德 趙衍華 朱瑞燦 陳金存 倪江濤 嚴振宇

增材制造技術發展迅速，已成為先進制造業的重要組成部分，首都航天機械有限公司不斷拓展增材制造技術在航天產品上的應用，取得了較好的成效。本文對典型增材制造技術在航天領域的應用需求進行分析，介紹了先進增材制造技術在型號方案快速響應、創新結構產品研制、難加工產品高效益制造等方面的應用，并提出了其未來發展設想。

一、概述

增材制造（3 D打印）技術基于離散-堆積原理，以數字模型為基礎，通過軟件和數控系統直接制造出復雜結構產品，是一項數字化先進制造技術。具有明顯的“短流程、低消耗、高柔性、環境友好、結構-功能一體化、設計-制造一體化”等優勢，特別適合高復雜度、難加工材料產品的快速、高質量研制。隨著航天領域裝備對“結構高效能、質量高可靠、研制低成本”的更嚴苛要求，越來越多的“功能一體化、整體化、輕量化”結構將被應用，傳統制造手段難以完全滿足裝備發展的需求。加之航天制造本身具有的多品種、小批量、快速研制的生產特點，迫切需要制造方法的革新帶動航天制造的進步。

根據對型號產品的梳理統計，總結出以下幾類典型增材制造技術應用需求：

1、型號預研階段的方案快速響應需求

針對目前航天領域預研型號數量多、研制周期緊的特點，瞄準傳統制造流程在預研階段的設計方案更迭頻繁、技術狀態多變、響應太慢的痛點開展應用研究，利用增材制造純數字化、短流程制造的優勢實現設計-制造高效協同、制造方案的高效迭代、設計意圖的快速驗證。

2、型號產品創新結構設計的制造需求

未來航天產品為提升服役性能及可靠性，結構形式將呈現輕量化、整體化、結構功能一體化的創新式發展趨勢。針對該類制造需求，迫切需要解放設計約束，通過采用增材制造技術，解決傳統方法無法經濟制造或根本無法制造的難題。

3、傳統難加工構件的高效益制造需求

型號產品金屬艙段、骨架、傳力/支撐結構等大型、超大型鈦合金、高溫合金難加工產品傳統加工難度大、成本高、周期長，經常成為型號研制的短板，針對上述難加工構件的制造瓶頸，開展增材制造凈成形/近凈成形，減少加工量，降低加工難度，實現降本增效。

二、首都航天機械有限公司增材制造能力簡介

首都航天機械有限公司（以下簡稱公司）針對上述需求，自2012 年即開始金屬增材制造技術研究與工程應用。目前已形成了覆蓋“三類熱源、五種方法、十余牌號材料”的金屬增材制造體系，建成了高水平的專業化人才隊伍，建立了獨立的增材制造中心，擁有核心增材制造裝備十四臺套，技術方向涵蓋激光選區熔化、激光熔化沉積、電弧熔絲增材、電子束熔絲增材等，配套設備近十臺套，具備了型號小規模批量研制能力。

在上述軟硬件能力支撐下，開展了較深入的技術基礎研究，已經具備了扎實的技術基礎用于支撐型號應用。

在激光選區熔化成形領域，深入研究多材料體系的超常熔凝行為特點，掌握了超常熔凝條件下的冶金缺陷產生機理，建立了基于“鋪粉-熔化-凝固-鋪粉”工藝全過程的數值仿真模型，實現了冶金缺陷、典型微觀組織結構的較準確預測。建立了多約束條件下的應力、應變演化模型，掌握復雜產品的變形規律。基于此建立了面向工程的“成分-組織-性能-精度”協同調控方法，鈦合金、高溫合金等典型金屬材料力學性能優于鍛件水平，尺寸精度控制最高可達0.1mm。

在激光熔化沉積成形領域，掌握了鈦合金宏觀晶粒形態與工藝參數間的關聯關系，實現了晶粒形態的主動控制。探明了其微觀組織變化規律，掌握了微觀組織特點與性能相關性，通過主動調控使力學性能優于鍛件標準，強度波動范圍不超過3%。掌握了米級構件應力分布與變形規律，建立了應力與變形演化模型，實現了成形過程變形預測。

在電弧熔絲沉積成形領域，研究并首次提出了基于焊絲成分控制、熔滴過渡模式、成形工藝參數及熱處理制度等匹配協調控制的工藝控制原則，實現增材制造產品內部質量和力學性能的有效控制。突破了基于零件幾何特征的電弧增材路徑規劃方法，實現大尺寸“懸空曲面”、“艙體內網格”、“異形截面”等結構的路徑自主優化設計，并形成相關前處理軟件。

目前，公司已累計申請增材制造領域發明/國防專利四十余項，建立了較完善的標準體系，累計編制各級技術標準近二十項。

三、增材制造技術在航天產品上的推廣應用

目前公司已累計完成近二十個型號，百余圖號，兩千余件產品的研制與交付，先后實現了9 個型號產品的地面考核試驗，3 個型號產品通過飛行考核，1 個型號產品進入定型批產狀態。在滿足型號“寬約束”的設計制造一體化、重大關鍵產品快速研制的需求，以及提升核心制造能力方面發揮了較好的作用。

（一）在型號方案快速響應方面的應用

增材制造技術以其短流程、高柔性、近凈成形的技術優點，可有效滿足以新一代大推力、可重復使用和高效低成本運載火箭為代表的預研型號在研制期間頻繁進行設計驗證和迭代的需求。

公司充分發揮其技術方向全面、材料體系豐富、技術基礎扎實、設備能力強等優勢，實現了運載火箭發動機葉輪、集合環、液氧頂蓋、出口集合器法蘭、保護罩，箭體結構安溢活門、管路支架、配重支架、推力室套筒以及艙外航天服頭盔、面罩、風管等幾十型產品的快速研制。其中，新一代運載火箭、液體發動機和其他航天裝備均處于預研階段，大量產品設計方案需進行多次更改和驗證，采用傳統制造工藝難以滿足型號研制進度需求。針對這一問題，公司利用增材制造設計制造一體化信息平臺,幾天內完成了設計方案的驗證和迭代，單件產品全流程生產周期僅1 周左右。某型號長征系列運載火箭是航天一院最新研制的低成本、快速機動的固體運載火箭，根據其搭載的載荷不同，衛星支架和配重支架的設計方案需頻繁更改，對產品研制周期提出了較高的要求。公司結合產品特點，分別采用電弧熔絲增材制造技術和激光選區熔化增材制造技術實現了2 類配重支架的快速研制，全流程生產周期僅10 天，有效滿足了運載火箭快速響應的要求，最終產品已搭載運載火箭完成了飛行試驗考核，這也是國內航天領域首個通過飛行試驗的電弧熔絲增材制造鋁合金產品。

目前，新型航天裝備需求迫切，軍民融合逐漸深入，民用航天發展迅速，航天領域預研背景和型號數量逐漸增多，型號產品的快速設計迭代已成為影響型號發展的重要一環，增材制造技術與信息化和數字化技術的結合已成為其中一項重要手段，具有廣泛的應用前景。

（二）在創新結構產品研制方面的應用

為滿足日益復雜的服役壞境和對可靠性的更高要求，航天裝備產品結構形式呈現輕量化、整體化、結構功能一體化的創新式發展趨勢，而傳統制造工藝無法滿足該類產品的制造需求，故可通過采用增材制造技術，實現復雜產品的整體化制造，從而釋放設計約束。

公司結合增材制造技術特點，通過增材制造設計制造一體化信息平臺，與設計部門多次對接，反復迭代優化設計，完成了新一代液體火箭發動機五位一體排氣錐、一體化噴注器、一體化二底、一體化篩孔渦流器及其他型號輕量化點陣夾芯套筒、點陣夾芯板折疊舵、整體化推力室和整體化艙段等產品的設計制造。其中，采用激光選區熔化增材制造技術研制的輕量化點陣夾芯套筒和折疊舵在滿足其性能和隔熱等要求的前提下，可實現減重30%以上，攻克了傳統方法無法制造的難題；采用電弧熔絲增材制造的支架結構，在滿足性能要求的前提下，可實現減重20%以上。另外，采用增材制造技術一體化制造的排氣錐、二底、篩孔渦流器和推力室等產品，將零件數量由幾個甚至幾十個減少至一個，大幅縮短生產工序和周期，同時在一定程度上提高了系統可靠性。

圖1 增材制造技術在型號快速響應方面的應用

圖2 增材制造技術在創新結構產品研制方面的應用

增材制造技術的發展，解決了點陣結構、內流道結構、空間曲面結構等復雜產品的制造難題，解放了設計約束，使得設計人員可以基于增材制造工藝，采用商業數字化軟件和二次開發相結合的方法，對產品進行優化設計，從而實現航天產品性能的全面提升，促進航天裝備快速發展。

（三）在難加工產品高效益制造方面的應用

航天大型鈦合金骨架、支座、高溫合金殼體等結構通常采用鍛造+機械加工的生產方式，其加工難度大、生產周期長、材料利用率低、生產成本高，通常成為型號研制的短板。而增材制造技術具有近凈成形的技術優勢，可實現大尺寸鈦合金和高溫合金等難加工金屬材料的高效制造，從而減少加工難度，加快研制進程。

公司前期通過開展激光熔化沉積增材制造和電弧熔絲增材制造技術研究，完成了新一代長征系列運載火箭捆綁支座、尾翼接頭、氦儲罐等大型鈦合金產品的研制，內部質量和力學性能均達到鍛件水平，其中，上下捆綁支座實現等強度減重40%以上；尾翼接頭實現生產周期縮短50%；氦儲罐是航天領域內首個通過液壓試驗考核的電弧增材一米級鈦合金壓力容器產品；而芯級捆綁支座是航天領域迄今為止集中力承載環境最惡劣的3D 打印產品，公司掌握了其全流程制造關鍵技術，產品先后通過了300 噸級和400 噸級的地面考核，并搭載運載火箭順利通過飛行考核驗證。

增材制造近凈成形的技術特點使其在大尺寸復雜難加工金屬構件研制方面具有巨大優勢，其材料利用率遠高于鍛造+機加，從而可有效降低成本，縮短周期，目前正在航空航天大尺寸復雜產品制造領域推廣應用。

三、未來增材制造發展設想

增材制造技術由于天然具有的鮮明數字化、信息化特點，使其成為最具潛力實現智能制造的方法之一。但目前增材制造技術在工程應用過程中仍存在一些技術局限性，制約了該技術方向完全智能化和信息化的實現，相關問題有待今后一段時期持續進行深入研究。

圖3 增材制造技術在大尺寸難加工產品研制方面的應用

主要體現在：現有增材制造環節智能化水平不足；設計制造一體化不充分，信息共享程度不高；制造過程信息流的數據應用不充分；理論模型研究欠缺，設計制造精確性不足。

針對上述問題，建議未來發展重點開展以下方面研究：

1、重點開展高度智能化的航天特種裝備自主研發，結合已有信息化技術開展智能化分布式產線的開發與試用；

2、進一步強化設計制造一體化，打通設計制造間的數據交互瓶頸環節，搭建高度一體化創新研發平臺；

3、重視制造環節的信息流數據收集與應用，推進過程大數據分析等在產品研制過程中的應用，通過過程數據預判產品質量，并基于此實現參數閉環反饋控制；

4、開展面向增材制造的設計、制造、實驗考核等各環節的基礎理論研究，建立相關專用數值模型與數據庫，提升設計、制造精確性。