中国航天新突破，3D打印部件从3kg减重到600g，减重80%

晶格/点阵结构由于重量轻、高强度比，逐渐成为航空航天产品设计的宠儿。南极熊之前报道，丹麦公司Adimant利用3D金属打印技术制作了据说是迄今为止最大的金属晶格结构，重1.7公斤，体积134×28×500毫米，用在欧洲最大的卫星制造商Thales Alenia Space的卫星上。

而近期，由中国空间技术研究院采用微单元包络体（即点阵结构）结构进行轻量化设计的飞行器结构件，通过金属3D打印技术研制成功，尺寸超过了Thales Alenia Space的卫星所采用的金属晶格结构。这标志着国内金属选区熔化3D打印在成形尺寸极限、薄壁结构、微单元包络结构等关键技术方面取得重大突破。今天，我们不但为大家揭晓此飞行器结构件的真面目，还将揭秘其背后的技术难题。

图1：飞行器框形状

据悉，此飞行器结构件是采用钛合金研发制造、包络尺寸为长短轴在550至700mm的十字连接椭圆形结构件（外形如图1所示）。如果采用传统制造工艺制造，零件内部只能为实体结构，重量将高达3公斤，无法满足减重设计要求。

为达到减重的目的，设计人员在零件设计优化过程中创造性地采用轻量化设计，用微单元包络体结构代替原有的实体结构，这种结构的理论重量远低于实体结构的重量，最终这样一个大家伙成形零件的质量仅为600余克！让人不得不惊叹于点阵结构的神奇魅力（内部结构如图2所示）。

图2：飞行器框结构

由于传统制造工艺无法实现这种微单元包络体结构的制造，最终，通过采取金属3D打印技术成功研制出该飞行器结构件。零件的质量仅为600余克，相比传统制造工艺减重80%左右。该钛合金零件体密度仅为1g/cm3，与水密度相当，减重效果极为明显，是尺寸获得重大突破的点阵轻量化飞行器结构件。众所周知，飞行器通常由众多复杂零部件构成，而这仅仅只是其中之一。如果能在更多的零部件尤其是大型结构件上实现晶格结构及金属3D打印，发射中的燃料成本将可以大大节约！这对于金属3D打印在航天航空领域的应用无疑具有里程碑式的重要意义。

据了解，此飞行器结构件成形采用的金属3D打印技术为激光选区熔化成形技术。激光选区熔化成型技术成形的零件致密性好，能够成形高精度复杂异型金属零件。因其具有组织致密、综合性能优良的特点，在国内外已得到了普遍重视，并具有一定程度商业化应用。
据项目相关专家介绍，采用激光选区熔化成形技术成形此结构件的背后，存在以下技术难题：

1、该飞行器结构件尺寸大，包络体蒙皮壁厚较薄，厚度不足0.5mm，且内部为微单元结构，结构尺寸精度要求严格；
2、激光选区熔化成形过程中，温度梯度产生的热应力存在使零件变形的风险；
3、包络体完全包络微单元结构，无法通过添加支撑来确保悬空的包络体蒙皮的成形。
4、零件整体尺寸较大，超出国际金属3D打印厂家一般设备成形尺寸极限。
5、重量要求严格，实物重量不得超过模型理论重量的3%。

据悉，为了获得性能优良、致密性高的轻量化飞行器结构件，中国空间技术研究院经过大量的工艺研究实验，在大型薄壁微单元包络体设计方面积累了丰富的经验。而鑫精合团队作为承制方，经过层层技术攻关，通过金属3D打印技术成功研制出这一大尺寸3D打印轻量化飞行器结构件产品，一举解决该结构件的减重制造难题。

来源：3d打印世界
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