航天专家揭秘可以上天的3D打印技术
是否想过上天的火箭也可以由3D技术来打印？已经上天的火箭上哪些部件是用3D技术打印的？ 2022年12月31日，首都航天机械有限公司总工艺研究师王福德接受中央广播电视总台中国之声记者采访，就《火箭上的哪些是用3D技术打印的》答记者问，揭秘可以上天的3D打印技术。 2022年12月9日，首次实施中国运载火箭海上热发射的捷龙三号火箭首飞成功；2022年12月16日，长十一火箭成功发射。这两型火箭上面有一些构件就是科研人员应用3D打印技术“打印”出来的。 王福德：捷龙三号火箭上的2件卫星适配器和1件过渡段是采用电弧熔丝增材制造技术打印的，长十一火箭上的卫星适配器的端框也采用电弧熔丝增材制造技术制造，卫星适配器的8件支撑杆采用激光选区熔化增材制造技术打印。另外，2022年长十一火箭还完成了三次发射，其中卫星适配器均采用电弧熔丝增材制造技术打印。 3D打印是快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。而在捷龙三号和长十一火箭上用到的电弧熔丝增材制造技术和激光选区熔化增材制造技术都属于3D打印技术。 电弧熔丝增材制造技术从传统的弧焊发展而来，用电弧热将丝材熔化并按预定轨迹逐层堆积成金属结构件。激光选区熔化增材制造技术主要用于中小尺寸复杂金属构件的一体化近净成形，如发动机零部件，一体化舵翼，管路阀门等产品，也可用于防隔热、抗冲击等先进结构的制备。而卫星支架适配器也叫卫星的座椅是安装和固定卫星的关键承载结构。这样的部件别看在火箭中不起眼（卫星适配器很大，通常直径在1~2米之间），却有着固定卫星不可替代的作用。为什么这样的部件可以用3D技术来打印？王福德解释，这首先与这两发火箭本身的特点有关。 王福德：捷龙三号火箭和长十一火箭是我们火箭院为满足商业航天低成本快速发射需求研制的新型固体运载火箭，这两型火箭的特点就是高效、低成本。卫星适配器是需要根据卫星的尺寸、结构、数量、接口状态等进行定制化的设计和生产。因此每发火箭的适配器结构都不一样，属于单件生产。 传统卫星适配器一般采用的是蒙皮桁条铆接工艺制造或者是铸造工艺制造，这两种工艺都需要复杂的模具，工装生产周期特别长，因为每一发火箭发射的卫星不同，卫星适配器自然也不同，所以采用传统工艺制造的工装和模具使用完成后就不能再继续使用，这就难以满足型号快速响应的要求。此时，最新的3D打印火箭产品的技术就可以大显身手。 王福德：增材制造技术因为它无需工装模具，且制造周期短，可满足快速响应、低成本和高质量的制造需求，同时又可以提高 产品结构功能一体化的设计水平，在实现产品减重同时，提高系统的可靠性。 简而言之就是低成本、高可靠。可是，在很多人眼中，3D打印产品的一个特点是快，质量却没有那么理想，因为一般产品会比较脆、易碎，那么，科研人员使用新技术进行3D打印的产品和火箭一起上天能行吗？答案是，能，而且非常棒。 王福德：火箭卫星支架是关键承载结构，火箭上的任何一部件都不允许失败。因此我们打印的时候，不光对打印技术有充分的认知，还要对这个材料有更深层次的认知。我们打印的过程中，通过控制工艺参数，包括过程监测，能够保证产品的质量达到锻件的水平。 在金属材料金属结构的制造工艺当中，锻件的性能是最好的。王福德介绍，3D打印这些部件在原理上与普通部件3D打印没有本质区别，但这些部件都是火箭的关键承载构件，同时尺寸较大，直径多在1米以上，目前打印的最大火箭构件直径达到了3.35米。航天发射对打印构件性能的批次稳定性、质量一致性以及超大构件打印过程中的变形开裂控制问题均提出了更高要求。 王福德：因为3D打印是由点到线，再到面，再到体的成型（形）过程，就像绣花一样，是一点一点“绣”成的，打印大型构件的话，保证整个构件各地方的组织性能均一致，以及变形与开裂的控制，这个都是我们的技术亮点。 为了保证产品各方面性能一致，科研人员进行了6年技术攻关，自主研制了基于“双机器人+变位机”的高效电弧熔丝3D打印装备，现在已经实现直径4米构件的3D打印，同时在原材料控制方面，研制了电弧熔丝增材专用高强韧铝合金丝材，攻克了电弧熔丝增材制造铝合金各项异性的难题，使成形件各项性能差异由19%降为3%；目前，使用电弧熔丝增材制造的大型铝合金构件已经有13件成功发射，成功率达到100%。 王福德：比如我们采用了强刚度设计，又加上了仿真预测、在线监控、变形补偿，还有全流程调控方法，来解决大零件打印过程中的变形与开裂问题。我们打印出来的零件，可以做到各个方向的性能一致，偏差在3%以内，做到这个也是很难得的。 现在用电弧熔丝增材制造技术和激光选区熔化增材制造技术来进行3D打印火箭零部件只是第一步，王福德透露，目前正在进行整体火箭的3D打印技术攻关，不久我们将看到由3D技术打印的整体火箭上天。 王福德：我们还在液体火箭发动机难加工高温合金和铜合金领域开展了应用研究。未来整体打印的火箭也有望在我们一院实现。 著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2023-04-18
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