案例 | 用于航天器的鈦鑲件：使用金屬3D打印減重66％

來(lái)源：Materialise

將每一公斤物品運(yùn)入衛(wèi)星軌道的費(fèi)用約為20,000美元。因此，節(jié)省的每一克都有助于提高空間探索的效率。Materialise與全球數(shù)字服務(wù)領(lǐng)導(dǎo)廠商Atos的工程部門共同合作，“重新發(fā)明”一個(gè)廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星的鈦金屬鑲件。

在設(shè)計(jì)或制造航天器部件時(shí)，最大的挑戰(zhàn)就是優(yōu)化重量，而且這不能以犧牲部件強(qiáng)度或性能為代價(jià)。Materialise與全球數(shù)字服務(wù)領(lǐng)導(dǎo)廠商Atos的工程部門共同合作，旨在“重新發(fā)明”一個(gè)廣泛用于航空航天領(lǐng)域的鈦鑲件，用于在衛(wèi)星等結(jié)構(gòu)中傳遞高機(jī)械載荷。憑借精巧的優(yōu)化設(shè)計(jì)并通過(guò)金屬3D打印，新型鈦金屬鑲件重量?jī)H為原來(lái)的三分之一，還加入了一些改進(jìn)的特性。

鑲件置入夾層板結(jié)構(gòu)
這些鑲件通常作為安裝點(diǎn)，用來(lái)將各種設(shè)備與衛(wèi)星連接起來(lái)。這樣的鑲件通常承受很高的負(fù)載，需要提升起又大又重的結(jié)構(gòu)。這意味著它們必須表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度-重量比：這個(gè)部件必須具有很高的強(qiáng)度和剛性，同時(shí)重量又必須非常輕。這些鑲件被置入在航空航天結(jié)構(gòu)中很常見(jiàn)的復(fù)合結(jié)構(gòu)夾層板里共同固化，通過(guò)與夾層板的粘合將載荷轉(zhuǎn)移。

傳統(tǒng)的鑲件通常采用鋁或鈦制作，通過(guò)機(jī)加工制造，做成磚塊的形狀。它們的質(zhì)量和成本都很高，因?yàn)槠鋬?nèi)部完全是實(shí)體。除了材料的高成本之外，重型部件還會(huì)增加每次發(fā)射時(shí)航天器的運(yùn)營(yíng)成本。

然而，金屬3D打印可以解決這些問(wèn)題，并且使用相同的材料：鋁和鈦。

利用3D打印優(yōu)化設(shè)計(jì)
工程師面臨著改變傳統(tǒng)思維的挑戰(zhàn)。這個(gè)設(shè)計(jì)旨在滿足從概念階段到制造階段的所有要求。Atos依靠在航空航天工程和結(jié)構(gòu)仿真方面的專業(yè)知識(shí)，從內(nèi)到外設(shè)計(jì)了這個(gè)新型部件，提高了其整體性能。

通過(guò)3D打印，物體的內(nèi)部空間可以采用中空或輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。Materialise和Atos的工程師從減少部件內(nèi)部的材料使用量入手，研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用拓?fù)鋬?yōu)化和晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等先進(jìn)技術(shù)，將鑲件質(zhì)量從1454克減少到500克。

除了減輕重量外，團(tuán)隊(duì)還解決了原始設(shè)計(jì)中的熱彈性應(yīng)力問(wèn)題。由于這些鑲件在夾板的碳纖維增強(qiáng)聚合物固化過(guò)程中已經(jīng)被安裝，因此會(huì)受到熱彈性應(yīng)力。優(yōu)化設(shè)計(jì)降低了這些應(yīng)力帶來(lái)的影響并改善了載荷的分布，從而延長(zhǎng)了鑲件的使用壽命。

鈦鑲件的橫截面展示了內(nèi)部的輕量化結(jié)構(gòu)

在不萊梅的Materialise金屬3D打印工廠運(yùn)用了這個(gè)新設(shè)計(jì)制造了兩個(gè)鈦合金（TiAl6V4）鑲件。作為Materialise的金屬3D打印中心，這個(gè)工廠已通過(guò)諸如此類的項(xiàng)目展示了其在生產(chǎn)和軟件開(kāi)發(fā)中的先進(jìn)制造能力。金屬3D 打印也已經(jīng)證明其在航空領(lǐng)域的巨大潛力，因?yàn)橄惹皼](méi)有任何的手段可以達(dá)到如此之快的交付時(shí)間。

Marta García-Cosío，Atos西班牙機(jī)械工程總監(jiān)這樣評(píng)價(jià)：“減輕重量將有助于提高衛(wèi)星設(shè)備的有效載荷，并大量節(jié)省每次發(fā)射成本。正是由于在如此短的時(shí)間內(nèi)，在金屬增材制造領(lǐng)域創(chuàng)造出這種高度復(fù)雜的產(chǎn)品，使得Atos和Materialise成為金屬3D打印解決方案供應(yīng)商中的佼佼者。我們對(duì)這一創(chuàng)新感到非常的自豪�！�

通過(guò)這個(gè)成功的項(xiàng)目以及它所體現(xiàn)的研究成果，我們期待著進(jìn)一步擴(kuò)大在航空航天領(lǐng)域使用3D打印的金屬部件。