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《增材制造技术在航天制造领域的需求分析和趋势》

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■ 北京/焦明张扬

一、增材制造技术在航天制造领域的优势

传统的制造方法主要是“减材制造”,即在整块原材料上加工去除多余部分,将剩下的部分制成产品.增材制造技术（Additivemanufacturing）即3D打印技术,是基于分层制造原理,将复杂的三维加工过程转化为平面加工过程,通过材料的聚合反应、熔化或粘结,实现产品点—线—面—体的逐层生长型制造.根据能量源、添加材料方式的不同,目前应用较为广泛的金属增材制造方法,主要包括激光选区熔化成形（SLM）、激光熔化沉积技术（LMD）、电子束选区熔化沉积技术（EBM）、[1]电弧熔丝增材制造技术（WAAM）、激光熔覆技术（LC）等.

与传统加工方法相比,增材制造的技术特点和优势是：

(一)促成全新设计理念

设计人员可不再受传统制造工艺和手段的约束,设计并制造出传统制造方式无法实现的、过去没有的全新结构,促进设计思想变革,拓展无限创新空间.

(二)优化产品性能,增强产品创新程度

使空间点阵夹芯结构等超复杂创新结构、异质及复合等高性能新型材料构件成为可能,零件组织致密、晶粒细小,性能超过铸件,部分材料甚至优于锻件.

(三)极大地降低产品研发创新成本,缩短创新研发周期

工艺准备相对简单,无需工装,响应速度快,材料利用率高,使“今日完成设计,明天得到成品”的梦想得以实现.

(四)CAD/CAM高度一体化

激光快速成形技术由CAD模型直接驱动,不同的零件生产无需考虑专用工具和工装的设计使用,制作过程完全数字化,真正实现了CAD/CAM之间的无缝衔接,从CAD设计到原型零件制成,一般只需几个小时至几十个小时,即可得到高精度和高还原性的产品.[2]

(五)高度自动化

增材制造过程全自动进行,设备运行过程几乎不需操作人员干预,程序开始运行后即可实现无人值守工作.

随着对宇航系统及武器装备要求的不断提高,航天产品中关键构件呈现结构功能一体化、轻质、高性能的发展趋势.越来越多零组件采用钛合金、高温合金、高强钢等难加工材料,核心部件呈现复杂、薄壁、多功能、整体化和轻质化等新特征,给产品的研制和生产带来了巨大的挑战.[3]铸造、锻造、综合机加、特种加工、铆接、焊接等传统制造工艺存在周期长、费用高、效率低等问题,已不能适应航天型号多品种、变批量、超精密、快响应等需求.

增材制造技术不受构件的复杂程度影响,可直接制备出形状复杂、尺寸精度高、组织结构致密、性能稳定的构件,且后续加工量甚少,[3]在现代航天产品的研制与开发中具有广阔的应用空间.现阶段,增材制造技术已从研发阶段逐步转向工程化应用,其与信息化的深度融合,必将带来航天制造领域的革命性影响,对推进航天产品型号转型升级具有重要意义.

二、国内外增材制造技术发展的现状

增材制造技术发展至今,手段日趋丰富,技术日益成熟,应用范围逐渐扩大,市场前景十分广阔.据国外专业机构预测,到2025年,增材制造产业的产值将达2000～6000亿美元,增长空间巨大.面对如此巨大的产业发展潜力,各制造业大国均推出相应的规划,极力推进该项技术的研究、应用和发展.

(一)国外增材制造技术发展现状

美国于2009年形成了国家增材制造路线图,随后成立了国家增材制造创新研究院（NAMII）,该机构在2013年6月投入900万美元实施增材制造大项目计划.美国商务部国家标准化研究院也于同年斥资740万美元,用于增材制造领域检测方法改进及标准建立.2015年初,美国陆军发布了最新版《陆军制造技术规划报告》,将增材制造技术列为重点发展领域.美国己将增材制造技术视为提升航空航天领域水平的重要关键技术之一,并且得到了极大应用.SpaceX公司的Inconel合金增材制造SuperDraco引擎（见图1）,利用增材制造的特点,可将由多个零件连接而成的装配组件变成单件整体结构,从而实现结构效率最优化.同时,对航天大型整体结构件、承力结构件的加工,可缩短加工周期、降低加工成本、减轻结构质量和简化制造工艺.[4]

英国自2011年开始,持续增加增材制造技术研发经费,在工程与物理科学研究委员会、工程与自然科学研究委员会设立了相关研究中心,联合高校、企业重点开展钛合金增材制造技术研究与应用.

德国建立了直接制造研究中心,主要研究和推动增材制造技术在航空航天领域中结构轻量化方面的应用.同时,增材制造技术为近期提出的以智能化制造为目标的“工业4.0”计划提供重要的技术途径.

澳大利亚于2012年2月宣布支持一项航空航天领域革命性的项目“微型发动机增材制造技术”.2013年,政府投资5000万澳元,支持建立先进制造联合研究中心,推动增材制造的产业化发展.

欧洲根据欧盟“地平线2020”计划,正在实施一项联合研究计划,准备制造迄今为止世界上最强的激光器,研发增材制造核心部件,突破美国的技术封锁,该项目的初始成本约3.5亿欧元.

法国、日本、西班牙等国,也相继提出增材制造技术发展规划.[1]

(二)国内增材制造技术发展现状

2014年3月,以卢秉恒院士为首成立了南京增材制造技术研究院和全国增材制造产业技术创新联盟.973、863、总装先进制造技术、04专项、国防基础科研等国家科研计划均将增材制造技术列入“十三五”重点发展的技术方向.由卢秉恒院士主持拟定了《中国增材制造的路线图》,并呈报国家有关部门,对未来5年和10年的产业发展进行规划.2015年2月,、发展改革委、财政部三部委联合印发了《国家增材制造产业发展推进计划》,[5]将增材制造定位为具有战略性的新型产业,强调从材料、工艺、装备、标准、应用五个方面予以落实并推动行业发展,在国家政策上对增材制造给予支持.

北京航空航天大学王华明团队采用该技术,试制了钛合金整体加强框及翼身整体根肋等大型主承力构件,已在舰载机等型号中应用.

西北工业大学采用激光熔化沉积技术,制造了国产大型客运飞机C919中的钛合金主风挡窗框和机翼缘条,已装机使用.

三、航天产品对增材制造技术的需求

在航天“弹、箭、星、船、器”各型号中,内部轻量化异形精密构件、中小型超复杂薄壁带型腔构件、采用先分体制造再连接装配方式的复杂构件、采用大型锻铸件毛坯类主承力整体构件4大类产品,对增材制造技术需求迫切.

(一)内部轻量化异形精密构件

航天产品采用点阵、蜂窝、薄壁、中空等轻量化设计（见图4）,可实现大幅减重的同时保证构件的机械性能和力学性能,传统机械加工方法几乎无法实现,增材制造是唯一制造解决方案.

(二)中小型超复杂薄壁带型腔构件

氢氧发动机中叶轮、涡、泵阀壳体等（见图5）,采用铸造—综合机加—电火花特种加工—表面光整等工艺流程,加工难度大、生产效率低,而采用激光选区熔化增材制造方法可实现构件快速近净成形,成形精度可达0.05mm,大幅度缩短加工周期.

（三）采用先分体制造再连接装配方式的复杂构件

先采取分体制造出各个零部件后,再通过焊接、螺接、铆接等连接装配方式制造的复杂结构,如导弹武器中舵翼类产品（见图6）,传统工艺采用钛合金骨架＋蒙皮焊接结构,舵翼骨架为铸件机加成型,工艺流程长、生产周期长.采用增材制造可实现产品的一次性整体成形,缩短产品制造周期,提高成形精度及整体性能.

四）采用大型锻铸件毛坯类主承力整体构件

大型高性能主承力整体构件,如航天发动机和导弹武器中舱体骨架、框梁类产品（见图7）,先锻铸造成毛坯再机加成型,机械加工去除量大、生产周期长、材料利用率低,增材制造技术可实现毛坯件近无余量快速成形,缩短制造周期、提高材料利用、节省材料和时间成本.

四、增材制造技术在航天领域的发展趋势与相关建议

(一)发展趋势

1.增材制造技术将迅猛发展,航天发射成本将大幅度降低

目前,增材制造技术尚处于试验研究阶段,在航天领域全面应用仍面临着仿真设计、工艺技术、试验验证、质量控制等方面的困难,与真正工程化应用还有较大距离.随着国家投入大量的人力、物力进行研究,增材制造技术必将迅猛发展,在航天制造领域也将得到广泛应用.届时,将大幅降低零部件的加工制造成本、简化工艺流程、缩短加工周期、减轻产品重量,从而缩短研制周期、降低发射成本.

2.航天及导弹武器装备损耗件、疲劳件快速修复变为现实

激光熔覆（简称LC）技术属于增材制造技术的一种,适用于昂贵或生产周期很长的零件或磨损件缺陷的修复.通过激光熔覆技术可很好地挽救大型贵重零件,大幅度缩短维修周期,显著降低备用件库存量,延长航天产品及导弹武器装备使用寿命.激光熔覆技术在国外航空航天及导弹武器装备领域的易损件、易耗件、疲劳件的快速修复上发挥了至关重要的作用,尤其在美军海湾战争等实战中起到了非常重要的保障作用,满足了军队行动快速性和携带设备便利性的需要,被称之为“战地医院”.[6]未来不论在发射场还是战场,激光熔覆技术在航天产品及导弹武器装备损耗件、疲劳件快速修复方面,必将发挥不可替代的关键作用.

3.将把“空间站”变成“制造工厂”,为外星移民提供可能

随着研究的深入,零重力增材制造设备将逐步成熟,未来空间站将由“实验室”转变为“数字化机械制造工厂”.通过新一代运载火箭“快递”原材料至空间站,以太阳能为动力,对空间站进行自我修复及建造,从而大幅降低空间站的组建成本和周期.未来,通过重型运载火箭“快递”原材料、增材制造设备和机器人到其他星球,首先实现增材制造设备的自我复制,同时实现基地的3D打印建造,为外星移民提供可能.

(二)相关建议

1.统筹规划,在国家标准的建立中发挥主导作用

航天领域应加大对增材制造技术的重视与投入,加强统筹规划,制定顶层发展战略,集中部、所、厂、站的相关研发力量,突破关键技术难题,建立增材制造航天标准,并在国家标准的起草和编制中发挥主导作用.

2.引进技术,构建“数字化”增材制造技术生产线

以我国航天“十三五”发展规划为契机,采用“产、学、研”相结合的方式,进行增材制造的技术研发.加强与国内增材制造技术研究领域的优势院校、国内外先进设备厂商合作,引进关键设备和技术,构建“数字化”增材制造技术生产线,满足航天型号研制需求的同时,大力研发航天专用的增材制造设备和技术.

3.产业输出,引领航天制造业

增材制造技术作为一种新型先进制造技术,国内外均尚未发展成熟,应在借助国内外高校、科研院所和先进设备厂商技术经验的基础上,坚持“引进与自主创新结合”,成就一批拥有自主知识产权的专利技术和装备,走产业化和市场化路线,形成“航天制造”3D打印技术输出,引领航天增材制造业,实现我国航天技术的跨越式发展.！

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