3D打印技術在航天企業的應用

武瑞剛,韓利萍,楚蓓蓓，閆佳佳，解亞波,周 斌

(山西航天清華裝備有限責任公司，山西 長治 046000)

0 引言

3D打印(Three Dimensional Printing)是借助軟件將零部件結構數據數字化，通過數控系統將材料逐層堆積固化，制造出實體零件的一種技術[1]。相對于傳統的切削加工(減材制造)，3D打印是一種“自下而上”增材制造的方法[2]。作為一種新型的速成型技術，它包含了計算機輔助設計、數控技術、材料成型等諸多方面的先進制造技術，具有很好的應用前景[3]。

航天領域的零部件要求可靠性高，結構精密復雜，其加工難度大，制造周期長，而3D打印技術以其成型快、精度高、工藝簡單等特點廣泛應用于航天領域，可大大減少航天行業生產加工中人力、物力以及資金的投入，縮短生產周期，提高生產效率。

1 3D打印技術在航天領域的應用

1.1 3D打印技術在航天領域的應用現狀

在航天領域，3D打印的應用越來越廣泛。在國外，美國航空航天局采用3D打印技術制備了電子器件的冷卻板、封裝板和防護板等類似零件[4]；NASA馬歇爾航天飛行中心利用SLM技術實現了燃氣發生器導管的整體制造，解決了導管大曲率、小彎曲半徑結構特點難加工的困難[5-6]；奧地利Lithoz公司基于光刻的陶瓷制造技術(LCM)自主研發了LithaCore 450硅基材料,用于打印陶瓷葉片型芯，滿足了航天航空的要求；2018年11月，美國航空管理局已批準3D打印支架用于波音747-8機型的GEnx-2B發動機。在國內，國防科技大學采用尼龍3D打印設備，直接制造無人機、定位導航外殼，解決了傳統工藝制造成型困難、時間長和成本高等問題；北京航空航天大學開展激光快速成型工程化應用技術研究，先后制造出飛行器TC4艙體框、發動機壓氣機葉片和TA15鈦合金角盒等零件；中國科學院沈陽自動化研究所應用MPLS多層熔覆技術對螺旋槳葉腐蝕損傷部位進行修復，該技術的應用展現了將成批庫存壽命期內的腐蝕槳葉再次裝機使用的光明前景，有較高的軍事價值和經濟效益。

1.2 3D打印技術在航天領域的應用優勢

由于航天行業的特殊性，航空航天裝備對材料的性能和成分要求十分嚴苛，對產品的精密度、質量、重量等方面都提出了更高的要求，傳統加工方法操作復雜，生產周期長。將3D打印技術應用到航天產品上，經過近些年的研究與推行，有以下優勢：

(1)3D打印技術可顯著提高材料利用率，它可以采用鈦合金粉末、鋁合金粉末和鎳基高溫合金粉末等加工航空航天中應用廣泛、性能優良的高溫合金件、結構復雜件，在加工過程中對粉末可充分利用，節約原材料，降低制造成本。

(2)3D打印技術可實現復雜難加工零件的成型。3D打印技術最突出的優點是可根據數據化模型直接成型，無需借助機械加工或模具。在航天工程中，通常有一些零部件結構設計復雜，傳統機械加工難以實現或加工周期長且精度不高，而應用3D打印技術可解決這一難題。

(3)3D打印技術可有效實現輕量化。在保證產品性能的前提下，無需焊接、鉚接等組裝工藝，通過優化將復雜結構設計成簡單結構，減少零部件數量，實現零部件的整體成型制造，滿足輕量化要求；通過拓撲優化與設計，使得零件應力分布合理，獲得高強度的結構，滿足航天工程對零件高性能的要求。

(4)3D打印技術可修復零部件破損部分。在修復零部件破損部分時，修復區與基材可以達到最優的匹配，實現了零件制造過程的良性循環。

2 3D打印技術在航天企業的應用

對于機械制造型企業來講，航天產品中某些特殊性能零件裝夾困難、加工難度大、制造周期長，且經常需要外協制造，制約了產品交付，不僅如此，隨著任務的增多，對產品的質量也提出了更高的要求。綜合以上特點，山西航天清華裝備有限責任公司在企業內部設立青年創新基金項目，首次開展對3D打印技術的研究，即在復雜產品加工之前，利用3D打印機直接成形產品模型，可預先分析實際加工中的難點，在產品正式加工時，可提升產品的合格率，使制造流程大為縮短，經過為期半年的研究，有以下研究成果：

(1)選取某航天產品支架、防護罩以及生活中常見的筆筒等零件，利用3D打印機(如圖1所示)進行3D打印技術研究。經過研究，掌握了3D打印相關理論，突破了模型數據建立、去除多余材料等關鍵技術，形成了3D打印操作規程，為后續發展和工程應用奠定了技術基礎。

圖1 3D打印機 圖2 支架

(2)在企業內部首次提出增材制造概念，并以某支架(如圖2所示)、滾柱零件(如圖3所示)、殼體(如圖4所示)和防護罩(如圖5所示)為試驗件探索復雜曲面零件的加工方法，具有開創性意義。

圖3 滾柱 圖4 殼體

圖5 防護罩

(3)可快速修復一些機床上的破損零部件。對于設備上的某些非金屬件，若損壞，可直接通過3D打印機打印出替換品，加快了維修速度，確保了產品的按時交付，也降低了采買成本。

(4)以企業在制的典型零件作為突破口，開展相關技術預研，以期提高產品的制造穩定性、縮短制造周期、緩解交付壓力，為其他類似零件的生產拓展思路，積累經驗，提供參考。

由于受設備本身限制，本企業3D打印所用材料均為PLA及ABS高分子聚合物，對金屬粉末成型技術還在理論研究階段。

3 發展前景展望

3D打印技術是我國制造行業與國外先進水平差距較小的領域之一，3D打印技術在未來加工制造領域的潛力巨大，將會引領制造業的發展趨勢。作為一項革命性的制造技術，雖然還存在技術不夠成熟的問題，但是它對于未來生產制造技術的發展具有巨大的影響力。我們應該不斷深入地探究和發展3D打印技術，使其更加成熟，更好地應用于現代加工制造業領域中，讓其更有效地服務于我國的制造業。