2019年中国航天领域3D打印8大应用成就和案例

3D打印快讯
2020
01/13
14:56
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来源:3D打印技术参考

中国航空航天领域的3D打印应用长时间以来其实报道的都不多,这不仅为这个行业增加了一丝神秘色彩,更让3D打印的从业者们翘首期待。我国航空航天3D打印应用在2019年取得了非常多的应用成就,本期,3D打印技术参考将按事件发生的时间细数在过去一年中,国内航天领域增材制造的应用情况。

2019年中国航天领域3D打印8大应用成就和案例

2019年中国航天领域3D打印8大应用成就和案例


1. 航天一院211厂全3D打印长五火箭芯级捆绑支座完成批生产

2019年3月,中国航天科技集团有限公司一院211厂完成首批长征五号系列运载火箭芯级捆绑支座的批生产。长五系列芯级捆绑支座是我国首个采用全3D打印的米级关键承力构件。进入批生产前,产品顺利通过静力试验,试验全面考核了飞行状态下的产品性能。

捆绑支座为运载火箭主承力构件,综合力学性能要求高,此前主要采用加工性能较好的高强钢,通过锻造再机加的方式成形。但这一加工方式存在材料去除量大、加工周期长等问题。

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长征五号遥三火箭于2019年12月27日成功发射


面对新型号减重的迫切需求,该厂于2016年提出采用具有更高比强度的钛合金材料,利用激光同步送粉3D打印工艺,实现捆绑支座的整体成形。经过系统工艺研究,该厂试制的产品顺利通过了成分、组织性能、表面质量及内部质量等各类检测,整体综合性能达到锻件水平,且较原设计减重30%。

激光同步送粉3D打印技术,不仅实现了难加工金属材料的快速成形,同时还为箭体主承力部段的轻量化结构设计与制造,提供了强有力的技术支撑。

2. 航天科技八院149厂增材制造技术通过审查

2019年6月,149厂核心专业建设空间增材制造技术通过立项审查。随后,该厂还就复合材料丝材的制备、打印过程中的送丝方式、如何保证工件的层间强度以及丝材的编织等方面进行了研讨,为后续工作的开展奠定了基础。

3. 国际首个3D打印全点阵整星结构成功入轨

2019年8月,航天一院捷龙一号遥一火箭在酒泉卫星发射中心成功将“千乘一号01星”卫星送入预定轨道。千乘一号卫星主结构是目前国际首个基于3D打印点阵材料的整星结构,千乘一号卫星入轨运行稳定,标志着用于航天器主承力结构的3D打印三维点阵结构技术成熟度达到九级,即实际系统成功完成使用任务。

2019年中国航天领域3D打印8大应用成就和案例

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整星结构示意图


千乘一号整星结构采用面向增材制造的轻量化三维点阵结构设计方法进行设计,并通过铝合金增材制造技术一体化制备。传统微小卫星结构重量占比为20%左右,整星频率一般为70Hz左右。千乘一号微小卫星的整星结构重量占比降低至15%以内,整星频率提高至110Hz,整星结构零部件数量缩减为5件,设计及制备周期缩短至1个月。整星结构尺寸超过500mm×500mm×500mm包络尺寸,也是目前最大的增材制造一体成形卫星结构。

千乘一号小卫星结构由航天五院总体部机械系统事业部负责研制。航天五院总体部机械系统事业部是我国航天器空间机械产品研制的核心部门,近年来在面向3D打印的航天器轻量化结构设计与评价方面开展了大量的研究工作,突破了基于三维点阵材料的整体结构设计技术。

4. 航天科技四院3D打印喷管热试车成功


2019年9月,四院首台3D打印喷管随发动机地面热试车成功。该台喷管金属承载件所采用的3D打印成型技术是一种快速、简便、无模具的加工方式,这也是该院首次将3D打印技术应用于地面试验产品,验证了3D打印金属件在较高压强下的承载性能和工作可靠性,为后续型号试验奠定了坚实的基础。

5. 航天科技六院11所首个高温合金3D打印氧泵离心轮通过考核


2019年10月,由航天科技集团六院11所主导研制的首个高温合金3D打印氧泵离心轮成功通过试车考核。

据了解,液氧煤油发动机涡轮氧泵离心轮转速高、负载大,处于恶劣低温液氧环境,承受着低温引起的材料性能变化、离心力、流体液动力、转子强迫振动力等,直接影响到发动机的可靠性。

目前,国外大推力液体火箭发动机氧泵离心轮常采用高温镍基合金粉末冶金制造方案,然而国内对于该工艺的研究较少。

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空间站特种真空泵(来源:西安航天动力研究所)



为了解决这一难题,提高氧泵离心轮的工作安全可靠性,11所涡轮泵设计人员联合六院增材制造中心,提出了3D打印氧泵离心轮制造方案,并制定了详细的研制计划,对性能测试、对比验证、超转试验等研究项目进行了攻关。

经过近一年的研制、试验和仿真分析,项目团队攻克了3D打印工艺、低温高强度高韧性热处理制度等难题,进行了超转试验验证,首件产品通过了试车考核。

6. 深蓝航天3D打印发动机推力室长程试车成功

2019年10月,民营航天企业深蓝航天对液氧煤油发动机进行推力室长程试车,试验取得圆满成功。(长征五号助推器发动机也采用液氧煤油)



此次试车的发动机喷注器壳体和推力室身部两个零件采用金属3D打印制造,内部有百余条冷却流道,使用传统工艺铣削和焊接工艺不仅制造周期长、成本高,零件性能也难以得到保证。

2019年中国航天领域3D打印8大应用成就和案例

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铂力特在承担此次任务中严格控制工艺,保证零件外形尺寸、流道精度及粗糙度,同时零件加工周期缩短至2-3周。采用3D打印工艺制造的推力室,实现了国内液氧煤油火箭发动机推力室效率从95%到99%的技术跨越,达到了国际先进水平。

7. 蓝箭航天:国内唯一多喷管液氧甲烷火箭发动机全系统热试车成功

2019年11月30日,蓝箭航天“天鹊”10吨级液氧甲烷发动机(TQ-11)全系统热试车成功。TQ-11系国内现有唯一多喷管液氧甲烷火箭发动机,是朱雀二号液体运载火箭的二级游动发动机。

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TQ-11推力室喷管


据蓝箭航空介绍,公司旗下TQ-11和TQ-12发动机在制造过程中均广泛采用3D打印技术,其中燃烧室身部都采用3D打印一体成型,降低了研发成本和制造周期,而且更容易量产。在此次试车之前,该发动机已于今年1月完成燃气发生器热试车,7月完成推力室试车考核,9月完成半系统试车。

8. 航天529厂助力我国实现多材料、多结构、多工艺、多型号3D打印产品在轨应用


2019年12月27日,长征五号遥三运载火箭在中国文昌航天发射场将实践二十号卫星顺利送入预定轨道,任务获得圆满成功。此前的12月20日,长征四号乙运载火箭在太原卫星发射中心,成功执行“一箭九星”任务。在这连续2次发射任务中,实践二十号卫星、中巴地球资源04A卫星、“天琴一号”技术试验卫星上均搭载了529厂采用3D打印技术研制的多种复杂形状结构产品。

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“天琴”空间引力波探测计划


尤其值得一提的是,铝合金蒙皮点阵式轻量化结构产品、钛合金激光送粉3D打印产品、钛合金激光铺粉3D打印产品首次实现在轨应用。这是继去年嫦娥四号中继星后,529厂3D打印技术取得的又一重大型号应用成果。

END

此前,我们已经看到很多国外航天企业大胆尝试3D打印技术的案例,而且绝大部分涉及推力室制造和卫星结构的3D打印。由于这一技术的先进性,国内的研发和尝试一直在紧锣密鼓的进行中。我们相信,本篇内容所展示的仅仅是国内所有航天应用的一部分,更多的实践我们可能并未知晓。相比于国外,我们并未落后于他人,甚至在有些地方遥遥领先。2019年已经过去,2020年的3D打印技术应用将更加深入和精彩。


注:本文部分内容来自中国航天科技集团。


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