發(fā)布時間：2020年06月05日
大尺寸一直以來都是金屬增材制造裝備發(fā)展的重要方向，更大的成形尺寸可以顯著擴大金屬增材制造技術的應用范圍，解決大尺寸復雜構件傳統(tǒng)制造過程中的難點和痛點，還可以實現(xiàn)中小尺寸復雜構件的批量化生產(chǎn)，為用戶提供短流程、數(shù)字化、品質(zhì)可控的先進解決方案。
2020年6月3日，鉑力特向市場推出了大尺寸金屬增材制造設備BLT-S600。根據(jù)鉑力特，該設備在正式推出市場之前，經(jīng)過近40000小時的產(chǎn)品打印實測，5輪方案設計迭代，近50次細節(jié)修正，設備單次不停機運行時間超過1200小時。截止目前，該設備已累計生產(chǎn)20臺，交付各類高品質(zhì)航空航天零件超700件，出品零件在“彈、箭、星、船、機”上廣泛應用，服務國家多項重大工程，支持國家多項重點型號的建設。
聚焦
長時間穩(wěn)定運行與品質(zhì)
根據(jù)3D科學谷的市場觀察，大尺寸金屬增材制造設備BLT-S600，曾承擔了我國千乘一號衛(wèi)星的增材制造工作。
千乘一號衛(wèi)星
整星結構示意
來源：航天五院總體部
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，整星頻率一般為70Hz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)，整星頻率提高至110Hz，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，也是目前最大的增材制造一體成形衛(wèi)星結構。
千乘一號小衛(wèi)星結構由航天五院總體部機械系統(tǒng)事業(yè)部負責研制。航天五院總體部機械系統(tǒng)事業(yè)部是我國航天器空間機械產(chǎn)品研制的核心部門，近年來在面向3D打印的航天器輕量化結構設計與評價方面開展了大量的研究工作，突破了基于三維點陣材料的整體結構設計技術。
該技術團隊從2012年起開展基于三維點陣材料結構的設計方法研究，具有良好的技術儲備及研究基礎。在千乘一號小衛(wèi)星結構設計過程中采用了宏細觀一體化優(yōu)化方法等前沿技術，考慮了3D打印工藝約束與整星裝配約束，在點陣材料細觀構型與連接結構方面實現(xiàn)創(chuàng)新設計。目前，已將該方法也應用于衛(wèi)星整星結構、相變儲能熱控結構與有效載荷支架結構，相比傳統(tǒng)設計與制造技術，實現(xiàn)結構減重30%-60%，相關可公開結果發(fā)表在AIAA Journal和Chinese Journal of Aeronautics。
整星增材制造工作委托西安鉑力特增材技術股份有限公司完成，該衛(wèi)星所有結構由鉑力特四光束3D打印設備BLT-S600一爐內(nèi)完成打印制造，零件最小特征僅為0.5mm。零件整體輪廓尺寸大，內(nèi)部輕量化點陣胞元結構尺度小，整星超過100萬個點陣特征，增材成形難度大，從穩(wěn)定性、精度、周期等指標上對打印設備及工藝能力要求極高。
大尺寸復雜結構一體化成形
BLT-S600設備最大成形尺寸達600mm×600mm×600mm，可滿足多種應用場景零件尺寸需求，解決高端應用領域中大尺度異形空間曲面特征、多特征跨尺度結構、鏤空網(wǎng)狀及空間連續(xù)拓撲包絡等復雜結構的一體化成形難題。
來源：鉑力特
l 質(zhì)量穩(wěn)定性
鉑力特對其多光束拼接技術，進行了長期應用驗證，對多種、多批次材料在不同成形區(qū)域內(nèi)進行金相、尺寸精度、力學性能等全方位對比驗證，海量的測試數(shù)據(jù)表明BLT-S600設備多光束搭接區(qū)域與非搭接區(qū)域產(chǎn)品質(zhì)量及性能一致。多批次零件測試結果顯示，零件精度、粗糙度、力學性能等均符合航空航天質(zhì)量標準。其中，零件成形精度可控制在0.2mm以內(nèi)，振鏡拼接精度可控制在±0.05mm以內(nèi)，零件表面粗糙度最低可達到Ra5。
▲ 來源：鉑力特
穩(wěn)定的流場設計是影響零件成形質(zhì)量和設備穩(wěn)定運行的關鍵要素之一，BLT-S600設備成形艙采用防揚粉設計及防落粉不均設計，并經(jīng)過多次模擬仿真后對吹風方案不斷優(yōu)化，最終獲得理想的流場結構，不僅可以實現(xiàn)滿幅面打印，還可保證更高的產(chǎn)品質(zhì)量和成形穩(wěn)定性。
▲ 來源：鉑力特
l 打印效率
BLT-S600設備采用多光束拼接技術，四個500W光纖激光器協(xié)同打印，較單激光設備打印效率可提升60%以上。設備采用雙向鋪粉技術，消除單向鋪粉的無效時間，有效提升零件打印效率。294項工藝參數(shù)面向用戶完全開放，可針對同一材料提供高效率、高表面質(zhì)量及高力學性能等不同需求打印策略，也可針對不同材料開發(fā)大層厚工藝參數(shù)，直接減少燒結和鋪粉次數(shù)，在保證零件質(zhì)量的前提下，提高打印效率，設備最高打印效率可達100cm3/h。
l 質(zhì)量監(jiān)控與產(chǎn)品可追溯性
BLT-S600設備搭載BLT-MCS系統(tǒng)，可實現(xiàn)打印過程工作預覽、打印配置、多激光掃描排序、過程實時檢測、日志記錄、圖像識別等功能，實時監(jiān)控關鍵質(zhì)量參數(shù)，滿足航空航天產(chǎn)品可追溯性要求，實現(xiàn)設備預測性維護。
設備標配剛性刮刀，能夠“定住層厚”，確保成形過程零件層厚一致，保證零件獲得穩(wěn)定良好的冶金質(zhì)量，同時針對細小點陣胞元特征，設備可配備柔性刮刀方案；設備標配自適應刮刀卡停修正功能，可實時監(jiān)測刮刀扭矩并進行故障判斷，避免零件刮裂/刮爛；設備自帶自適應鋪粉修正功能，保障鋪粉質(zhì)量，提高生產(chǎn)過程品質(zhì)管控；同時，通過設備自帶的機器視覺技術還可在打印過程中識別孔隙缺陷、裂紋缺陷、吹風缺陷、打印缺陷等多種缺陷。
l 設備安全性與操作便捷性
根據(jù)鉑力特，BLT-S600設備采用整機防爆設計，考慮工作環(huán)境氧含量檢測、激光漫反射防護、激光安全聯(lián)鎖、電器安全聯(lián)鎖、安全回路設置、安全邏輯互鎖、人粉隔離等，最大限度保障人員安全與設備安全；設備標配1500小時壽命反吹過濾器，可選配10年壽命永久過濾器，幫助用戶消除濾芯更換帶來的不穩(wěn)定風險。
同時，設備四周環(huán)繞式踏臺設計及三取件工位設計，也為操作人員日常維護及取件提供便利，使設備操作更加安全便捷；此外，設備配置不間斷電源（UPS），強大的可靠性設計讓其可以應對各種惡劣的使用環(huán)境，斷電后控制系統(tǒng)不關機，系統(tǒng)核心數(shù)據(jù)自動存儲，重新上電后無需復位即可繼續(xù)打印，降低人工操作復雜度。
大尺寸粉末床金屬增材制造設備，為解決大型復雜零件制造的挑戰(zhàn)帶來了新的解決方案。然而，考驗大尺寸金屬增材制造設備的核心要素并不是“誰的尺寸更大”，而是設備能否保證長時間穩(wěn)定運行、高效率連續(xù)生產(chǎn)以及成形零件內(nèi)外部品質(zhì)優(yōu)異可控。鉑力特通過長時間應用實踐所打磨的四激光金屬增材制造技術，將如何賦能大尺寸復雜構件成形或中小尺寸復雜零件批量生產(chǎn)，讓我們拭目以待。
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