鉑力特3D打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的四個(gè)應(yīng)用案例

來源：3D打印技術(shù)參考

制造企業(yè)是否采用3D打印技術(shù)，需要綜合考慮產(chǎn)品在整個(gè)生命周期的價(jià)值傳遞作用，這種作用在航天航空工業(yè)中體現(xiàn)的尤其明顯。同時(shí)，航空航天領(lǐng)域也在國內(nèi)外的增材制造技術(shù)的發(fā)展中起著引領(lǐng)性的作用。作為國內(nèi)該技術(shù)領(lǐng)域知名的制造商，鉑力特獲得了業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)可，通過多年深耕航空航天領(lǐng)域，該公司積累了大量案例。本期，對(duì)其中四個(gè)案例進(jìn)行介紹，突出3D打印技術(shù)在復(fù)雜產(chǎn)品制造和快速響應(yīng)方面給產(chǎn)品和企業(yè)帶來的改變。

1. 千乘一號(hào)01星：整星超100萬個(gè)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，最小特征0.5mm

北京時(shí)間2019年8月17日12時(shí)11分，千乘一號(hào)01星作為主星搭載中國航天科技集團(tuán)有限公司捷龍一號(hào)遙一火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，火箭經(jīng)主動(dòng)段飛行，將衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，衛(wèi)星發(fā)射入軌取得圓滿成功。千乘一號(hào)衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)是目前國際首個(gè)基于3D打印點(diǎn)陣材料的整星結(jié)構(gòu)，千乘一號(hào)衛(wèi)星入軌運(yùn)行穩(wěn)定，標(biāo)志著用于航天器主承力結(jié)構(gòu)的3D打印三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)技術(shù)成熟度達(dá)到九級(jí)，即實(shí)際系統(tǒng)成功完成使用任務(wù)。

千乘一號(hào)整星結(jié)構(gòu)采用面向增材制造的輕量化三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，整星結(jié)構(gòu)通過鋁合金增材制造技術(shù)一體化制備。傳統(tǒng)微小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)重量占比為20%左右，千乘一號(hào)微小衛(wèi)星的整星結(jié)構(gòu)重量占比降低至15%以內(nèi)，整星結(jié)構(gòu)零部件數(shù)量縮減為5件，設(shè)計(jì)及制備周期縮短至1個(gè)月，整星結(jié)構(gòu)尺寸超過500mm×500mm×500mm包絡(luò)尺寸。

該衛(wèi)星部分輕量化零件由鉑力特品牌設(shè)備BLT-S600打印制造，零件內(nèi)部點(diǎn)陣輕量化結(jié)構(gòu)最小特征僅為0.5mm。零件整體輪廓尺寸大，內(nèi)部輕量化點(diǎn)陣胞元結(jié)構(gòu)尺寸小，整星超過100萬個(gè)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)特征；蒙皮結(jié)構(gòu)尺寸小，增材成形工藝難度大。整個(gè)制造過程充分展示了鉑力特在大尺寸、精細(xì)化、特殊結(jié)構(gòu)成形上的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2. 3D打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器和燃燒室部件

2020年3月，國內(nèi)領(lǐng)先的民營液體火箭研制企業(yè)藍(lán)箭航天自主研發(fā)的“朱雀二號(hào)”液體運(yùn)載火箭系統(tǒng)中的“天鵲”10噸級(jí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)（TQ-11）再次進(jìn)行長程試車�！疤禊o”發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目組在一周內(nèi)，用一套TQ-11發(fā)動(dòng)機(jī)分別進(jìn)行了10秒、100秒、750秒、1500秒四次全系統(tǒng)熱試車，均取得圓滿成功。

TQ-11為國內(nèi)現(xiàn)有唯一多噴管液氧甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，是“朱雀二號(hào)”液體運(yùn)載火箭的二級(jí)游動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。2018年，藍(lán)箭航天公布了“朱雀二號(hào)”液體運(yùn)載火箭“80+10”的火箭動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)路線，兩型發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)組合可覆蓋從小型、中型到大型的“朱雀”全系列火箭家族。目前，兩型發(fā)動(dòng)機(jī)均已順利試車，鉑力特承擔(dān)了“天鵲”發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器身部和燃燒室的金屬3D打印服務(wù)。

燃?xì)獍l(fā)生器身部和燃燒室均為藍(lán)箭航天“天鵲”發(fā)動(dòng)機(jī)中的關(guān)鍵零部件，零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜且對(duì)外形、流道精度要求嚴(yán)格。燃燒室零件周身均布百余條細(xì)長流道，燃?xì)獍l(fā)生器身部零件內(nèi)有數(shù)十個(gè)冷卻通道，零件最小特征尺寸精度為±0.05mm，使用傳統(tǒng)鍛造、焊接等工藝加工無法達(dá)到技術(shù)要求。而金屬3D打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)一體成形，大大縮短發(fā)動(dòng)機(jī)裝配周期，集成化設(shè)計(jì)還可有效減少零組件數(shù)量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)使用維護(hù)性，也更容易進(jìn)行零部件批量化生產(chǎn)。

鉑力特前期對(duì)零件關(guān)鍵特征進(jìn)行充分的工藝驗(yàn)證，并快速進(jìn)行工藝迭代優(yōu)化，從力學(xué)性能、特征尺寸等方面保證成形零件滿足技術(shù)要求。

根據(jù)零件尺寸及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，鉑力特使用BLT-S310及BLT-S400分別成形燃?xì)獍l(fā)生器身部及燃燒室。雙激光金屬3D打印設(shè)備BLT-S400可一次成形2個(gè)燃燒室，兼顧產(chǎn)品品質(zhì)與效率，大大縮短交付周期、減少綜合成本；此外，鉑力特檢測(cè)中心具備Nadcap認(rèn)證資質(zhì)、獲CNAS實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可，可提供專業(yè)的原材料化學(xué)檢測(cè)、無損檢測(cè)、熱處理、流量標(biāo)定等相關(guān)檢測(cè)服務(wù)，為零件提供全工序質(zhì)量保障。

3. 3D打印立方星部署器為空間站在軌釋放微納衛(wèi)星儲(chǔ)備技術(shù)

2020年5月8日，新一代載人飛船試驗(yàn)船返回艙在東風(fēng)著陸場(chǎng)預(yù)定區(qū)域成功著陸，試驗(yàn)船飛行試驗(yàn)任務(wù)取得圓滿成功。新一代載人飛船試驗(yàn)船不僅完成了首次3D打印太空實(shí)驗(yàn)，還搭載了世界首個(gè)基于金屬3D打印技術(shù)的立方星部署器。該部署器由中國商業(yè)航天公司星眾空間（北京）科技有限公司研制，由鉑力特金屬3D打印技術(shù)制造。

鉑力特制造的金屬3D打印部署器，重量僅為傳統(tǒng)機(jī)械加工產(chǎn)品的一半，加工周期從過去的幾個(gè)月縮短為一周，大幅度降低了設(shè)計(jì)重量，提高了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。本次飛行充分驗(yàn)證了立方星3D打印新型部署器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、材料性能和空間環(huán)境適應(yīng)性，為“3D打印+航天”的大規(guī)模應(yīng)用和未來空間站在軌釋放、機(jī)動(dòng)部署微納衛(wèi)星提供了數(shù)據(jù)，儲(chǔ)備了技術(shù)。

這枚名為COSPOD-3D的立方星部署器，既可滿足國際標(biāo)準(zhǔn)3U立方星的發(fā)射與部署，也可滿足部分增大版3U立方星的需求，容納其多層展開帆板、大型表貼天線、相機(jī)等外部凸出載荷的應(yīng)用。更重要的是，這一系列產(chǎn)品配有新型多星分配控制器，能夠通過火箭提供的一路分離信號(hào)驅(qū)動(dòng)多路部署器釋放，實(shí)現(xiàn)一箭百星的部署能力。同樣由星眾空間設(shè)計(jì)研制、鉑力特制造的多星分配控制器，計(jì)劃在未來幾個(gè)月內(nèi)開展在軌試驗(yàn)。

采用3D打印技術(shù)加工微納衛(wèi)星部組件，在批產(chǎn)化方面的優(yōu)勢(shì)也非常顯著。以此次打印的立方星部署器為例，鉑力特自主研發(fā)的常規(guī)尺寸設(shè)備BLT-S310，成形尺寸為250×250×400mm，可一次成形2件部署器。鉑力特其余多型號(hào)更大尺寸設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)一次打印3~10件部署器的批量加工，為衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)“百顆”、“千顆”等大批量發(fā)射計(jì)劃提供強(qiáng)大支持及品質(zhì)保障。

4. 金屬3D打印的“靈巧號(hào)”衛(wèi)星，凸顯速度制造優(yōu)勢(shì)

2021年12月，由鉑力特打印、星眾空間出品的“靈巧號(hào)”太空實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星搭載由陜西第一家商業(yè)火箭公司陜西華羿鴻達(dá)科技發(fā)射的“華羿一號(hào)”亞軌道火箭在西北某試驗(yàn)場(chǎng)成功實(shí)施首次飛行。

金屬3D打印的“靈巧號(hào)”衛(wèi)星（Agile Testbed），是星眾空間專為生物、醫(yī)藥、材料、能源等太空實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的衛(wèi)星平臺(tái)。通過改造衛(wèi)星結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)傳感技術(shù)，“靈巧號(hào)”為實(shí)驗(yàn)載荷打造了一個(gè)有效減振、精準(zhǔn)溫控的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，能夠滿足該類實(shí)驗(yàn)在軌觸發(fā)和數(shù)據(jù)精準(zhǔn)測(cè)量、記錄、存儲(chǔ)、下傳等共性需求，適用于亞軌道和軌道飛行各類短期、長期任務(wù)。

鉑力特本次負(fù)責(zé)“靈巧號(hào)”衛(wèi)星主框架結(jié)構(gòu)的打印，“靈巧號(hào)”衛(wèi)星主框架結(jié)構(gòu)由4件面板和4件橫梁組成。為了滿足主框架結(jié)構(gòu)輕質(zhì)、高剛度的技術(shù)要求和項(xiàng)目緊急的節(jié)點(diǎn)要求，鉑力特采用AlMgSc高強(qiáng)度鋁合金作為原材料，采用BLT-S400三激光設(shè)備實(shí)現(xiàn)快速研制。

鉑力特接到生產(chǎn)任務(wù)后快速響應(yīng)，使用BLT-S400系列三激光設(shè)備一爐完成成形，總機(jī)時(shí)35h。由于項(xiàng)目緊急，零件在內(nèi)部做24小時(shí)流轉(zhuǎn)，經(jīng)后處理、機(jī)加工、陽極化等處理，在截止日當(dāng)天晚上10點(diǎn)完成交付，項(xiàng)目總周期8天。