增材制造典型應用場景一：基于增材工藝的航天關鍵零部件整體輕量化設計
時間：2023-01-03 20:00 來源：增材制造產業聯盟 作者：admin 閱讀：次
2022年8月，工業和信息化部發布了《首批增材制造典型應用場景名單》，經過地方推薦、專家評審、社會公示等程序，形成了首批增材制造典型應用場景，共有工業、醫療、建筑、文化等領域的36個優質應用場景入選。
為加快增材制造先進技術與裝備應用推廣，中國增材制造產業聯盟設立“增材制造典型應用場景案例專欄”，從需求痛點、案例介紹、技術先進性、應用成效、下一步計劃等角度立體展示優秀成果案例。
現將第一期“基于增材工藝的航天關鍵零部件整體輕量化設計”發布如下。
一、背景概述
（一）需求痛點
面對新的國際形勢和軍事戰略環境，航天武器性能要求越來越高，裝備的輕量化、整體化、集成化需求更為緊急與迫切。當前，由于受限傳統制造方法工藝可達性的約束，航天飛行器關鍵零部件產品結構減重越來越難，為了追求更輕的減重目標，其結構越來越復雜，傳統制造成本極高，甚至無法制造，已嚴重制約了高性能新型航天飛行器研制。
（二）解決方案
激光選區熔化增材制造技術作為最具前景的增材制造技術之一，直接從數字化模型制造零部件，理論上可實現任意復雜結構制造，如傳統制造工藝難以制造的點陣、蜂窩和隨形流道等復雜的創新結構，如圖1所示，為航天飛行器結構輕量化、熱防控等功能需求提供了切實可行的技術途徑。
二、案例介紹——點陣+蒙皮整體輕量化舵面
（一）案例描述
舵翼類產品是航天飛行器穩定控制系統的執行機構，實現飛行器穩定飛行及機動的重要部件。其結構輕量化程度不僅影響飛行器機動性和響應速率，還對舵機系統輸出功率有重要影響。舵翼類產品隨著制造工藝技術的不斷進步，從最初的實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。
針對舵翼類產品輕量化迫切需求，采用了點陣+蒙皮整體輕量化結構，實現舵翼產品的創新型設計與制造，舵翼產品內部采用點陣結構填充，外面為氣動外形薄壁蒙皮結構，點陣和蒙皮為整體結構，直接整體增材制造成形。
點陣+蒙皮整體輕量化舵面采用激光選區熔化成形技術，產品制造裝備為西安鉑力特公司的BLT-S300型激光選區熔化成形裝備，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型激光選區熔化成形裝備，最大可成形尺寸為320×320×420 mm3，如圖 4（b）所示。
（二）技術水平及先進性
一是鋁合金點陣+蒙皮整體輕量化折舵面較實心舵面減重65.5%，舵翼結構減重明顯。
二是在給定面載荷下最大等效應力小于屈服應力，且優化后其繞轉軸的轉動慣量減小65.4%，效果明顯。
三是通過內部點陣結構的設計，如晶胞結構、布局優化等可實現舵翼質心的自由調節，減少配重使用，甚至可以完全替代傳統配重塊調節。
四是工藝簡單，制造周期縮短，成本降低。點陣+蒙皮整體輕量化舵翼結構可直接激光選區熔化整體成形，無需蒙皮焊接和焊縫檢測等工序。
三、應用推廣成效
該類點陣+蒙皮整體輕量化舵翼產品已通過了靜力、展開和掛機飛行展開試驗考核。目前，已穩定為某幾個飛行器型號每年配套100余件，有力支撐了型號的研制。
四、下一步提升及推廣
目前，基于增材制造技術，通過點陣結構設計與制造已實現了舵翼類產品的輕量化。后續將進一步通過新材料和創新微結構設計在舵翼類產品阻尼性能的防顫振，以及通過微流道結構在舵翼類產品防隔熱等功能性提升方面開展工作，進一步提升舵翼類產品功能性指標。該類產品具有很好的推廣應用前景，尤其是未來武器裝備隱身和大機動要求，型號小型化、輕量化需求更加迫切，其推廣價值更大。
（撰寫單位：上海航天精密機械研究所）
為加快增材制造先進技術與裝備應用推廣，中國增材制造產業聯盟設立“增材制造典型應用場景案例專欄”，從需求痛點、案例介紹、技術先進性、應用成效、下一步計劃等角度立體展示優秀成果案例。
現將第一期“基于增材工藝的航天關鍵零部件整體輕量化設計”發布如下。
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場景類型 |
復雜結構產品輕量化設計
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場景項目名稱 |
基于增材工藝的航天關鍵零部件整體輕量化設計 |
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場景項目單位 |
裝備制造商 |
上海探真激光技術有限公司、西安鉑力特增材技術股份有限公司 |
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服務提供商 |
上海航天精密機械研究所 |
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應用單位 |
中國航天科技集團有限公司 |
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一、背景概述
（一）需求痛點
面對新的國際形勢和軍事戰略環境，航天武器性能要求越來越高，裝備的輕量化、整體化、集成化需求更為緊急與迫切。當前，由于受限傳統制造方法工藝可達性的約束，航天飛行器關鍵零部件產品結構減重越來越難，為了追求更輕的減重目標，其結構越來越復雜，傳統制造成本極高，甚至無法制造，已嚴重制約了高性能新型航天飛行器研制。
（二）解決方案
激光選區熔化增材制造技術作為最具前景的增材制造技術之一，直接從數字化模型制造零部件，理論上可實現任意復雜結構制造，如傳統制造工藝難以制造的點陣、蜂窩和隨形流道等復雜的創新結構，如圖1所示，為航天飛行器結構輕量化、熱防控等功能需求提供了切實可行的技術途徑。
（a）點陣結構（b）蜂窩結構（c）拓撲結構
圖 1 增材制造創新型結構
二、案例介紹——點陣+蒙皮整體輕量化舵面
（一）案例描述
舵翼類產品是航天飛行器穩定控制系統的執行機構，實現飛行器穩定飛行及機動的重要部件。其結構輕量化程度不僅影響飛行器機動性和響應速率，還對舵機系統輸出功率有重要影響。舵翼類產品隨著制造工藝技術的不斷進步，從最初的實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）加強翼肋夾層結構舵翼（c）骨架蒙皮結構舵翼
圖 2 舵翼產品形式
針對舵翼類產品輕量化迫切需求，采用了點陣+蒙皮整體輕量化結構，實現舵翼產品的創新型設計與制造，舵翼產品內部采用點陣結構填充，外面為氣動外形薄壁蒙皮結構，點陣和蒙皮為整體結構，直接整體增材制造成形。
圖 3 鋁合金點陣+蒙皮整體輕量化折疊空氣舵實物
點陣+蒙皮整體輕量化舵面采用激光選區熔化成形技術，產品制造裝備為西安鉑力特公司的BLT-S300型激光選區熔化成形裝備，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 激光選區熔化成形設備
（二）技術水平及先進性
一是鋁合金點陣+蒙皮整體輕量化折舵面較實心舵面減重65.5%，舵翼結構減重明顯。
二是在給定面載荷下最大等效應力小于屈服應力，且優化后其繞轉軸的轉動慣量減小65.4%，效果明顯。
三是通過內部點陣結構的設計，如晶胞結構、布局優化等可實現舵翼質心的自由調節，減少配重使用，甚至可以完全替代傳統配重塊調節。
四是工藝簡單，制造周期縮短，成本降低。點陣+蒙皮整體輕量化舵翼結構可直接激光選區熔化整體成形，無需蒙皮焊接和焊縫檢測等工序。
三、應用推廣成效
該類點陣+蒙皮整體輕量化舵翼產品已通過了靜力、展開和掛機飛行展開試驗考核。目前，已穩定為某幾個飛行器型號每年配套100余件，有力支撐了型號的研制。
四、下一步提升及推廣
目前，基于增材制造技術，通過點陣結構設計與制造已實現了舵翼類產品的輕量化。后續將進一步通過新材料和創新微結構設計在舵翼類產品阻尼性能的防顫振，以及通過微流道結構在舵翼類產品防隔熱等功能性提升方面開展工作，進一步提升舵翼類產品功能性指標。該類產品具有很好的推廣應用前景，尤其是未來武器裝備隱身和大機動要求，型號小型化、輕量化需求更加迫切，其推廣價值更大。
（撰寫單位：上海航天精密機械研究所）
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