鉑力特3D打印技術在航空航天領域的四個應用案例

來源：3D打印技術參考

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

1. 千乘一號01星：整星超100萬個點陣結構，最小特征0.5mm

北京時間2019年8月17日12時11分，千乘一號01星作為主星搭載中國航天科技集團有限公司捷龍一號遙一火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，火箭經(jīng)主動段飛行，將衛(wèi)星送入預定軌道，衛(wèi)星發(fā)射入軌取得圓滿成功。千乘一號衛(wèi)星主結構是目前國際首個基于3D打印點陣材料的整星結構，千乘一號衛(wèi)星入軌運行穩(wěn)定，標志著用于航天器主承力結構的3D打印三維點陣結構技術成熟度達到九級，即實際系統(tǒng)成功完成使用任務。

千乘一號整星結構采用面向增材制造的輕量化三維點陣結構設計方法進行設計，整星結構通過鋁合金增材制造技術一體化制備。傳統(tǒng)微小衛(wèi)星結構重量占比為20%左右，千乘一號微小衛(wèi)星的整星結構重量占比降低至15%以內(nèi)，整星結構零部件數(shù)量縮減為5件，設計及制備周期縮短至1個月，整星結構尺寸超過500mm×500mm×500mm包絡尺寸。

該衛(wèi)星部分輕量化零件由鉑力特品牌設備BLT-S600打印制造，零件內(nèi)部點陣輕量化結構最小特征僅為0.5mm。零件整體輪廓尺寸大，內(nèi)部輕量化點陣胞元結構尺寸小，整星超過100萬個點陣結構特征；蒙皮結構尺寸小，增材成形工藝難度大。整個制造過程充分展示了鉑力特在大尺寸、精細化、特殊結構成形上的技術優(yōu)勢。

2. 3D打印火箭發(fā)動機燃氣發(fā)生器和燃燒室部件

2020年3月，國內(nèi)領先的民營液體火箭研制企業(yè)藍箭航天自主研發(fā)的“朱雀二號”液體運載火箭系統(tǒng)中的“天鵲”10噸級液氧甲烷發(fā)動機（TQ-11）再次進行長程試車�！疤禊o”發(fā)動機項目組在一周內(nèi)，用一套TQ-11發(fā)動機分別進行了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)動機，是“朱雀二號”液體運載火箭的二級游動發(fā)動機。2018年，藍箭航天公布了“朱雀二號”液體運載火箭“80+10”的火箭動力系統(tǒng)技術路線，兩型發(fā)動機并聯(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)動機均已順利試車，鉑力特承擔了“天鵲”發(fā)動機燃氣發(fā)生器身部和燃燒室的金屬3D打印服務。

燃氣發(fā)生器身部和燃燒室均為藍箭航天“天鵲”發(fā)動機中的關鍵零部件，零件內(nèi)部結構復雜且對外形、流道精度要求嚴格。燃燒室零件周身均布百余條細長流道，燃氣發(fā)生器身部零件內(nèi)有數(shù)十個冷卻通道，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到技術要求。而金屬3D打印技術可實現(xiàn)復雜結構一體成形，大大縮短發(fā)動機裝配周期，集成化設計還可有效減少零組件數(shù)量，提高發(fā)動機使用維護性，也更容易進行零部件批量化生產(chǎn)。

鉑力特前期對零件關鍵特征進行充分的工藝驗證，并快速進行工藝迭代優(yōu)化，從力學性能、特征尺寸等方面保證成形零件滿足技術要求。

根據(jù)零件尺寸及結構特點，鉑力特使用BLT-S310及BLT-S400分別成形燃氣發(fā)生器身部及燃燒室。雙激光金屬3D打印設備BLT-S400可一次成形2個燃燒室，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，鉑力特檢測中心具備Nadcap認證資質(zhì)、獲CNAS實驗室認可，可提供專業(yè)的原材料化學檢測、無損檢測、熱處理、流量標定等相關檢測服務，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)星儲備技術

2020年5月8日，新一代載人飛船試驗船返回艙在東風著陸場預定區(qū)域成功著陸，試驗船飛行試驗任務取得圓滿成功。新一代載人飛船試驗船不僅完成了首次3D打印太空實驗，還搭載了世界首個基于金屬3D打印技術的立方星部署器。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打印技術制造。

鉑力特制造的金屬3D打印部署器，重量僅為傳統(tǒng)機械加工產(chǎn)品的一半，加工周期從過去的幾個月縮短為一周，大幅度降低了設計重量，提高了結構強度。本次飛行充分驗證了立方星3D打印新型部署器的結構強度、材料性能和空間環(huán)境適應性，為“3D打印+航天”的大規(guī)模應用和未來空間站在軌釋放、機動部署微納衛(wèi)星提供了數(shù)據(jù)，儲備了技術。

這枚名為COSPOD-3D的立方星部署器，既可滿足國際標準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、相機等外部凸出載荷的應用。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驅(qū)動多路部署器釋放，實現(xiàn)一箭百星的部署能力。同樣由星眾空間設計研制、鉑力特制造的多星分配控制器，計劃在未來幾個月內(nèi)開展在軌試驗。

采用3D打印技術加工微納衛(wèi)星部組件，在批產(chǎn)化方面的優(yōu)勢也非常顯著。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。鉑力特其余多型號更大尺寸設備，可實現(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)射計劃提供強大支持及品質(zhì)保障。

4. 金屬3D打印的“靈巧號”衛(wèi)星，凸顯速度制造優(yōu)勢

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

金屬3D打印的“靈巧號”衛(wèi)星（Agile Testbed），是星眾空間專為生物、醫(yī)藥、材料、能源等太空實驗設計的衛(wèi)星平臺。通過改造衛(wèi)星結構、增強傳感技術，“靈巧號”為實驗載荷打造了一個有效減振、精準溫控的實驗環(huán)境，能夠滿足該類實驗在軌觸發(fā)和數(shù)據(jù)精準測量、記錄、存儲、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。

鉑力特本次負責“靈巧號”衛(wèi)星主框架結構的打印，“靈巧號”衛(wèi)星主框架結構由4件面板和4件橫梁組成。為了滿足主框架結構輕質(zhì)、高剛度的技術要求和項目緊急的節(jié)點要求，鉑力特采用AlMgSc高強度鋁合金作為原材料，采用BLT-S400三激光設備實現(xiàn)快速研制。

鉑力特接到生產(chǎn)任務后快速響應，使用BLT-S400系列三激光設備一爐完成成形，總機時35h。由于項目緊急，零件在內(nèi)部做24小時流轉(zhuǎn)，經(jīng)后處理、機加工、陽極化等處理，在截止日當天晚上10點完成交付，項目總周期8天。