淺談增材制造技術在航天領域的應用

白亞洲，張建龍，王勝利，令狐榮奎，靳向濤

（首都航天機械有限公司，北京 100071）

0 引言

增材制造（Additive Manufacturing,AM）技術俗稱3D 打印、快速成形技術、分層制造技術，是一種采用材料逐級累加的方式生產零部件的技術，不同于傳統的減材加工（切削加工等）工藝，它自下而上加工生產零件[1-2]。增材制造技術以三維數字模型為基礎，結合計算機軟件、機械制造、智能制造等學科，通過軟件和數控系統將材料分層堆積成形為零件實體[3]。近年來，增材制造技術受到了各國政府的高度重視，推動了增材制造技術的發展與應用。2015年發布的《中國制造2025》中提到，增材制造是發展智能裝備，推進制造與生產智能化、自動化的關鍵技術。目前，增材制造技術被應用于航空航天、汽車制造、醫療器械、電子消費和國防軍事等多個行業領域。

隨著中國航天工業的高速發展，中國年度航天發射次數多次位居全球第一，航天活動涉及的門類涵蓋載人航天、探月工程、衛星導航等多方面，中國已經是真正意義上航天制造大國。但距離美國、俄羅斯等航天制造強國還有一定的差距，為加快我國邁向航天制造強國的步伐，迫切需要制造方法的革新帶動航天工業的進步。

相比于傳統的減材工藝技術，增材制造技術具有柔性高、加工不需要模具、工藝流程簡單、加工周期短、加工的零部件結構強度高等優點，尤其符合當下航天領域裝備對生產高效率、產品質量高可靠性、研制成本低、響應快速等方面的需求。因此，增材制造技術對推進建設航天制造強國具有重要意義[4-6]。

1 增材制造技術

增材制造技術從1980 年誕生至今，一直是制造工業的研究熱點，尤其是近年來受到很多發達國家的重視，發展迅速，目前已有20 多種成形工藝。按原材料分，可分為非金屬、金屬增材制造技術；按能量源分，可分為電子束、激光束、電弧增材制造技術；按材料進給方式分，可分為預置式、同步供給式增材制造技術。現階段，應用廣泛且典型的成形工藝有熔融沉積成形（FDM）、激光選區成形（SLS/SLM）、液態光固化成形（SLA）、激光沉積成形（LMD）、分層實體制造等[7-9]。

1.1 電子束增材制造技術

常用的電子束增材制造技術主要有兩種，熔融沉積成形（FDM）技術和選區熔化技術[10]。熔融沉積成形技術是將絲狀原材料加熱熔化后加工成形，技術原理如圖1 所示，絲狀原材料進入加熱裝置內受熱熔化后以液滴的形式連續從噴嘴中擠出，按計算機軟件設計好的路徑從下而上堆積成形。FDM 技術使用的原材料一般為尼龍、石蠟等熱塑性材料。FDM 技術材料利用率比較高，最高可達100%，加工成本較低，后期處理過程相對簡單，但使用具有局限性，只適用于加工中小型模型，加工速度慢，成形效率低，成形時間長，而且零件在厚度方向強度較弱[11]。

圖1 FDM 技術原理

電子束選區熔化技術適合加工小型、結構復雜的零件，成形材料涵蓋了不銹鋼、鋁合金、銅合金等常見合金，同時也可加工如鈷基合金、鎳基合金、鈦合金等特殊合金材料[12]。電子束選區熔化技術加工速度快、功率大，能量利用率高，運行成本低，設備維護性好，可以使高溫材料直接成形，能夠解決材料難熔難加工的問題，被廣泛應用于航空航天、汽車、醫療等行業。

1.2 激光增材制造技術

以激光為主要熱能源的加工成形工藝被稱為激光增材制造技術。激光作為高能量束，能量密度高，可短時間內將溫度升高，因此可以完成難加工金屬的制造，如鈦合金、高溫合金等。激光直接沉積（LMD）技術和激光選區熔化（SLM）技術是發展比較成熟的兩種成形工藝[13]。

激光直接沉積（LMD）技術基于堆焊原理，將原材料直接沉積增材加工成零件毛坯，然后再通過減材制造保證零件尺寸[14]。其技術原理圖如圖2所示，利用激光的高能量使金屬粉末和基材熔化后在熔池上方沉積，冷卻凝固后形成熔覆層。利用計算機軟件控制激光頭和送粉噴嘴運動，最終形成整個金屬零件。LMD 技術生產過程不需要模具，機加工量較小，材料利用率較高，工藝相對簡單，生產制造時間較短；柔性高，響應速度快，適合加工制造大型結構或結構不復雜的零部件。

圖2 LMD 技術原理

激光選區熔化（SLM）技術是基于金屬粉末掃描熔化的成形技術，掃描路徑按照三維CAD 模型預先規劃，掃描過的金屬粉末在激光束的作用下快速熔化、冷卻凝固成形[15]。為使金屬粉末快速熔化，激光選區熔化技術采用高功率密度的激光器，這點與激光直接沉積技術有所區別。SLM 技術原理圖如圖3 所示，使用該成形工藝可直接加工成零件的最終狀態，省去了其中的許多轉換環節。SLM 技術制造的零件力學性能和表面質量較好，但零件尺寸會受到鋪粉工作箱的限制。SLM 技術不適合加工大型的整體零件，比較適合制造具有復雜形狀或內部異性的零件[16]。

激光增材制造技術在短短30 年左右的時間里，發展飛速，形成了以激光直接沉積技術和激光選區熔化技術為代表的多種成形工藝。與傳統的金屬制造技術相比，激光增材制造技術具有柔性高、工藝流程簡單、生產周期短、快速響應能力好、可加工材料范圍廣的突出優勢，尤其是在加工鈦合金、高溫合金、非晶合金等特殊材料方面。因此，激光增材制造技術迅速成為生產加工航空航天領域中高性能復雜構件和生物醫療領域中多孔復雜結構零部件的主要技術手段之一。

1.3 電弧增材制造技術

電弧增材制造技術采用逐層堆焊的方式，以電弧作為載能束，通過添加絲材，在計算機的控制下根據三維數模逐級制造金屬零件。與采用金屬粉末作為原材料的增材技術相比，電弧增材制造技術材料利用率高、成形速度快、設備成本低，對成形件尺寸限制低。尤其在大尺寸復雜構件低成本、高效快速成形這方面，具有其他增材制造技術無法比擬的優勢[17]。

2 增材制造技術在航天領域的應用

美國的Aerojet公司在2017年點火測試的火箭發動機Bantam 是采用增材制造技術加工而成的，其推力室、渦輪泵、噴嘴等關鍵零部件通過3D 打印一體化加工制造，火箭發動機點火試驗如圖4所示[18]。采用增材制造技術加工制造火箭發動機，能夠降低成本，縮短加工周期，比較適合小型運載火箭。軌道ATK 公司采用激光選區熔化成形工藝制造的超燃沖壓發動機的燃料泵如圖5 所示。傳統機械加工制造的火箭發動機燃料泵由數百個零件組成，采用增材制造技術一體化制造后，零件減少了45%，大大縮短了加工周期，降低了生產成本[19-20]。

圖4 增材制造技術加工的火箭發動機點火試驗

圖5 增材制造技術打印的燃料泵

首都航天機械有限公司自2012 年開始研究金屬增材制造技術在航天領域的應用，目前已累計完成2 000 余件產品的研制與生產，包括運載火箭發動機葉輪、液氧頂蓋、保護罩，箭體結構安溢活門、管路支架、配重支架，以及艙外航天服頭盔、面罩、風管等[21]。通過對激光熔化沉積技術和電弧熔絲增材制造技術的研究，實現了航天大型鈦合金骨架、支座、位移接頭等大尺寸、難加工金屬材料的高效制造，從而提高了材料利用率，降低了生產成本，加快了研制進程。例如，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%。增材制造技術加工的大尺寸航天產品如圖6所示。

圖6 增材制造技術加工的大尺寸航天產品

2019 年發射的嫦娥四號中繼衛星“鵲橋”上的動量輪支架，采用增材制造技術加工完成[22]，如圖7 所示。在傳統的設計制造中，該零件一般采用鋁合金棒料機械加工而成，為保證支架重量，加工過程容易發生變形，導致成形精度差。“鵲橋”衛星動量輪支架采用激光選區熔化成形工藝加工完成，減重50%。

圖7 “鵲橋”衛星動量輪支架

航天工業的不斷發展進步，對航天領域零部件結構提出了更高的要求，對航天制造技術來說是更大的挑戰。增材制造技術是解題的“關鍵手”，相對于傳統的減材制造，增材制造技術受零件形狀和結構的約束小，能夠給予設計更大的自由度，而且在型號快速響應方面效果顯著，采用增材制造技術加工的產品越來越多，涵蓋了空間站、深空探測、運載火箭、衛星結構、導彈武器等多個領域。

3 結束語

增材制造技術憑借其突出的優勢，在航天領域應用越來越廣泛，已經在運載火箭、導彈武器、衛星支架、空間站等航天制造領域中占有無法取代的地位。隨著國家加大對增材制造技術的研究與投入力度，增材制造技術會越來越成熟，將有力地促進我國航天制造業的發展，推動我國由航天制造大國向航天制造強國邁進。