基于增材工藝的航天關(guān)鍵零部件整體輕量化設(shè)計(jì)

魔猴君  行業(yè)資訊   800天前

2022年8月，工業(yè)和信息化部發(fā)布了《首批增材制造典型應(yīng)用場(chǎng)景名單》，經(jīng)過(guò)地方推薦、專家評(píng)審、社會(huì)公示等程序，形成了首批增材制造典型應(yīng)用場(chǎng)景，共有工業(yè)、醫(yī)療、建筑、文化等領(lǐng)域的36個(gè)優(yōu)質(zhì)應(yīng)用場(chǎng)景入選。

為加快增材制造先進(jìn)技術(shù)與裝備應(yīng)用推廣，中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟設(shè)立“增材制造典型應(yīng)用場(chǎng)景案例專欄”，從需求痛點(diǎn)、案例介紹、技術(shù)先進(jìn)性、應(yīng)用成效、下一步計(jì)劃等角度立體展示優(yōu)秀成果案例。

現(xiàn)將第一期“基于增材工藝的航天關(guān)鍵零部件整體輕量化設(shè)計(jì)”發(fā)布如下。

場(chǎng)景類型：復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)

場(chǎng)景項(xiàng)目名稱：基于增材工藝的航天關(guān)鍵零部件整體輕量化設(shè)計(jì) 

          裝備制造商：上海探真激光技術(shù)有限公司

                 西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司

場(chǎng)景項(xiàng)目單位：服務(wù)提供商：上海航天精密機(jī)械研究所

         應(yīng)用單位：中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司

一、背景概述

（一）需求痛點(diǎn)

面對(duì)新的國(guó)際形勢(shì)和軍事戰(zhàn)略環(huán)境，航天武器性能要求越來(lái)越高，裝備的輕量化、整體化、集成化需求更為緊急與迫切。當(dāng)前，由于受限傳統(tǒng)制造方法工藝可達(dá)性的約束，航天飛行器關(guān)鍵零部件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)減重越來(lái)越難，為了追求更輕的減重目標(biāo)，其結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，傳統(tǒng)制造成本極高，甚至無(wú)法制造，已嚴(yán)重制約了高性能新型航天飛行器研制。

（二）解決方案

激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)作為最具前景的增材制造技術(shù)之一，直接從數(shù)字化模型制造零部件，理論上可實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造，如傳統(tǒng)制造工藝難以制造的點(diǎn)陣、蜂窩和隨形流道等復(fù)雜的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，如圖1所示，為航天飛行器結(jié)構(gòu)輕量化、熱防控等功能需求提供了切實(shí)可行的技術(shù)途徑。

（a）點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（b）蜂窩結(jié)構(gòu)（c）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖 1 增材制造創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)

二、案例介紹——點(diǎn)陣+蒙皮整體輕量化舵面

（一）案例描述

舵翼類產(chǎn)品是航天飛行器穩(wěn)定控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)飛行器穩(wěn)定飛行及機(jī)動(dòng)的重要部件。其結(jié)構(gòu)輕量化程度不僅影響飛行器機(jī)動(dòng)性和響應(yīng)速率，還對(duì)舵機(jī)系統(tǒng)輸出功率有重要影響。舵翼類產(chǎn)品隨著制造工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，從最初的實(shí)心板式舵翼到目前主流的骨架蒙皮式翼舵，如圖2所示，其輕量化水平逐漸提高。

（a）整體夾芯式舵翼（b）加強(qiáng)翼肋夾層結(jié)構(gòu)舵翼（c）骨架蒙皮結(jié)構(gòu)舵翼

圖 2 舵翼產(chǎn)品形式

針對(duì)舵翼類產(chǎn)品輕量化迫切需求，采用了點(diǎn)陣+蒙皮整體輕量化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)舵翼產(chǎn)品的創(chuàng)新型設(shè)計(jì)與制造，舵翼產(chǎn)品內(nèi)部采用點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)填充，外面為氣動(dòng)外形薄壁蒙皮結(jié)構(gòu)，點(diǎn)陣和蒙皮為整體結(jié)構(gòu)，直接整體增材制造成形。

圖 3 鋁合金點(diǎn)陣+蒙皮整體輕量化折疊空氣舵實(shí)物

點(diǎn)陣+蒙皮整體輕量化舵面采用激光選區(qū)熔化成形技術(shù)，產(chǎn)品制造裝備為西安鉑力特公司的BLT-S300型激光選區(qū)熔化成形裝備，最大可成形尺寸為250×250×400mm3，如圖 4（a）所示；以及上海探真公司的TS320型激光選區(qū)熔化成形裝備，最大可成形尺寸為320×320×420 mm3，如圖 4（b）所示。

（a）BLT-S300 型  （b）TS320 型

圖 4 激光選區(qū)熔化成形設(shè)備 

（二）技術(shù)水平及先進(jìn)性

一是鋁合金點(diǎn)陣+蒙皮整體輕量化折舵面較實(shí)心舵面減重65.5%，舵翼結(jié)構(gòu)減重明顯。

二是在給定面載荷下最大等效應(yīng)力小于屈服應(yīng)力，且優(yōu)化后其繞轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小65.4%，效果明顯。

三是通過(guò)內(nèi)部點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，如晶胞結(jié)構(gòu)、布局優(yōu)化等可實(shí)現(xiàn)舵翼質(zhì)心的自由調(diào)節(jié)，減少配重使用，甚至可以完全替代傳統(tǒng)配重塊調(diào)節(jié)。

四是工藝簡(jiǎn)單，制造周期縮短，成本降低。點(diǎn)陣+蒙皮整體輕量化舵翼結(jié)構(gòu)可直接激光選區(qū)熔化整體成形，無(wú)需蒙皮焊接和焊縫檢測(cè)等工序。

三、應(yīng)用推廣成效

該類點(diǎn)陣+蒙皮整體輕量化舵翼產(chǎn)品已通過(guò)了靜力、展開(kāi)和掛機(jī)飛行展開(kāi)試驗(yàn)考核。目前，已穩(wěn)定為某幾個(gè)飛行器型號(hào)每年配套100余件，有力支撐了型號(hào)的研制。

四、下一步提升及推廣

目前，基于增材制造技術(shù)，通過(guò)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造已實(shí)現(xiàn)了舵翼類產(chǎn)品的輕量化。后續(xù)將進(jìn)一步通過(guò)新材料和創(chuàng)新微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在舵翼類產(chǎn)品阻尼性能的防顫振，以及通過(guò)微流道結(jié)構(gòu)在舵翼類產(chǎn)品防隔熱等功能性提升方面開(kāi)展工作，進(jìn)一步提升舵翼類產(chǎn)品功能性指標(biāo)。該類產(chǎn)品具有很好的推廣應(yīng)用前景，尤其是未來(lái)武器裝備隱身和大機(jī)動(dòng)要求，型號(hào)小型化、輕量化需求更加迫切，其推廣價(jià)值更大。

來(lái)源：上海航天精密機(jī)械研究所