發(fā)布時間：2021年10月01日
隨著人類探索深空的腳步不斷延伸，航空航天等高性能構(gòu)件需要在更極端的條件下服役。為了獲得更優(yōu)更強的整體性能、更優(yōu)更好的行業(yè)解決方案，航空航天構(gòu)件發(fā)展向大型化、一體化、復(fù)雜化邁進。
金屬3D打印實現(xiàn)了相關(guān)材料制件的高性能、高精度、復(fù)雜結(jié)構(gòu)等成形要求，成形產(chǎn)品在表面特性、幾何特性、機械特性等關(guān)鍵指標(biāo)均處于行業(yè)先進水平，具有“大（成形尺寸大）”、“優(yōu)（優(yōu)化設(shè)計）”、“特（新材料和特殊結(jié)構(gòu)）”、“精（高精度）”的特點。而這些特點在本次航展期間表現(xiàn)的淋漓盡致。本期，3D打印技術(shù)參考揭秘展會期間，鉑力特所展出的大尺寸3D打印航空航天金屬零部件背后的制造密碼。
1.?支架縮比件
材料：鋁合金
尺寸：φ940mm×60mm
重量：36kg
機時：36h
設(shè)備：W2520A
技術(shù)說明：針對支架尺寸大、輕量化、減振等需求，采用電弧增材制造技術(shù)一體打印支架優(yōu)化結(jié)構(gòu)，并結(jié)合減材加工保證產(chǎn)品精度。該支架縮比件直徑940mm，在實際生產(chǎn)中，鉑力特可打印出直徑數(shù)米的支架。
該結(jié)構(gòu)具有大幅面的薄壁筋結(jié)構(gòu)，打印時易產(chǎn)生變形，導(dǎo)致尺寸加工余量不足；而且工藝上，成形路徑復(fù)雜，易產(chǎn)生未熔合，弧坑、裂紋等缺陷，導(dǎo)致性能降低或不達標(biāo)。針對這些問題，工藝人員提出了具體的解決措施：1.利用基材的尺寸對零件進行剛性約束；2.對零件基材進行適當(dāng)預(yù)熱，減少溫度梯度；3.對零件結(jié)構(gòu)進行分區(qū)，合理規(guī)劃打印方式減少應(yīng)力疊加產(chǎn)生的變形；4.打印策略優(yōu)化，通過分塊，分區(qū)掃描策略優(yōu)化。通過以上措施，有效控制了整體變形情況。
2. 發(fā)動機集成件
材料：高溫合金
尺寸：820mm×820mm×400mm
重量：567kg（零件+基材），27kg（零件）
設(shè)備：BLT-S800
機時：175h
技術(shù)說明：該產(chǎn)品以航空發(fā)動機為基本構(gòu)型載體，融合增材制造高柔性設(shè)計優(yōu)勢與增材工藝適應(yīng)性原則，通過整體化設(shè)計，集成了典型輕量化特征、空間多尺度結(jié)構(gòu)、異性曲面及流道等復(fù)雜特征，并實現(xiàn)了大尺寸部件與局部靈活可動性特征的整體制備。
該產(chǎn)品充分體現(xiàn)了增材制造產(chǎn)品的創(chuàng)新性設(shè)計理念及BLT大尺寸復(fù)雜多特征部件的加工工藝能力，展現(xiàn)了金屬3D打印在航空航天領(lǐng)域的集成化、輕量化創(chuàng)新性設(shè)計及工程應(yīng)用方面的突出優(yōu)勢。
3.?長征五號縮比模型
材料：鈦合金
尺寸：400mm×400mm×1400mm
重量：55Kg（零件+基材）12Kg（零件）
設(shè)備：BLT-S500
機時：150h
為慶祝長征五號順利升空，鉑力特以長征五號為靈感，對其外形做相關(guān)優(yōu)化設(shè)計，利用BLT-S500一次性打印成功。
技術(shù)說明：該模型是在長征五號外輪廓基礎(chǔ)上重新設(shè)計的優(yōu)化結(jié)構(gòu)零件，將典型的優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)集合在同一個零件上，具有大尺寸、薄壁等特征。零件總高度1400mm，表面由格柵框架和連續(xù)曲面構(gòu)成，內(nèi)部附有異形管路，外部帶有不同特征舵翼結(jié)構(gòu)。
該零件一體化打印成形，整個零件高1400mm，重量僅有12kg，充分體現(xiàn)了鉑力特擁有大尺寸高精度結(jié)構(gòu)突出的實現(xiàn)能力。
4. 動舵面（局部）
材料：高溫合金
尺寸：690mm×110mm×48mm
重量：12.5kg
設(shè)備：BLT-S600
技術(shù)說明：采用SLM工藝整體制造，內(nèi)部采用點陣結(jié)構(gòu)填充，零件減重的同時滿足強度的要求。
5.?石油鉆探巖密探頭
材料：不銹鋼
尺寸：Φ90mm×812mm
重量：20.534kg
機時：327h
設(shè)備：BLT-S511
技術(shù)說明：巖性密度探頭尺寸較長且結(jié)構(gòu)不規(guī)則，采用增材制造SLM工藝可將探頭一次成形，大幅降低后續(xù)加工量和加工難度。加工方式的升級，至少可節(jié)約60%以上的加工周期以及20%的加工成本。儀器產(chǎn)能可提高60%-70%，探頭表面硬度可提高5%-6%，顯著提高產(chǎn)品功能和經(jīng)濟效益。
6. 鈦合金框
材料：鈦合金
尺寸：1200mm×800mm×150mm
重量：45kg
機時：120h
設(shè)備：LSF-XA-BLT-VI-003
技術(shù)說明：零件為復(fù)雜框板結(jié)構(gòu)，基于激光送粉成形技術(shù)成形。相比于傳統(tǒng)制造工藝，激光送粉打印技術(shù)可實現(xiàn)零件生產(chǎn)周期短、生產(chǎn)成本低、材料利用率高等優(yōu)點。且各項力學(xué)性能均符合鍛件指標(biāo)，可達到使用標(biāo)準，對提升我國高端裝備制造技術(shù)水平和國際競爭力具有重要戰(zhàn)略意義和社會經(jīng)濟效益。
然而，激光同軸送粉打印柜板類大尺寸鈦合金并非容易，其存在兩個主要難點：其一，打印過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力大，導(dǎo)致零件變形，甚至開裂。其二，打印過程中，非平衡凝固組織的控制及內(nèi)部冶金缺陷的控制。
針對以上情況，鉑力特通過優(yōu)化激光的掃描策略進行一級打印模型的處理，可實現(xiàn)降低打印過程產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，降低變形開裂的風(fēng)險；然后通過優(yōu)化打印的工藝參數(shù)，可控制凝固組織的晶粒形態(tài)一級內(nèi)部的冶金缺陷，結(jié)合特定的熱處理制度，最終可獲得綜合力學(xué)性能與鍛件相當(dāng)?shù)拟伜辖鹆慵?/p>
7. 創(chuàng)新設(shè)計樹
材料：鈦合金
尺寸：400mm×400mm×1100mm
重量：2kg
機時：192h
設(shè)備：BLT-S500
技術(shù)說明：該產(chǎn)品基于功能優(yōu)先的3D打印優(yōu)化設(shè)計，充分展示了3D打印在集成設(shè)計方面的優(yōu)勢：功能優(yōu)先、集成設(shè)計、仿生設(shè)計、減重能力、極限結(jié)構(gòu)成形能力等，在航空、航天、汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用有廣泛的應(yīng)用前景。
END
在往期文章中，我們已經(jīng)證明3D打印技術(shù)在我國運載火箭、航天器產(chǎn)品的制造過程中發(fā)揮的重要作用，以及航天科技集團旗下多個單位為實踐該技術(shù)所付出的努力與取得的成果。作為國內(nèi)僅有的科創(chuàng)板增材制造企業(yè)，鉑力特是我國航空航天領(lǐng)域強有力的金屬3D打印機制造商與服務(wù)提供商。
在探索3D打印應(yīng)用范圍廣度的同時，鉑力特也在探索零件成形尺寸的極限，力求為大尺寸零件提供金屬增材制造解決方案。所生產(chǎn)的BLT-S500、BLT-S600等大型SLM設(shè)備解決了我國大型航空航天精密復(fù)雜構(gòu)件的生產(chǎn)制造瓶頸問題；BLT-S310型號設(shè)備也通過了空中客車公司認證，成為空客A330機型增材制造項目主要設(shè)備；2021年，鉑力特更是推出了十激光器大幅面金屬3D打印機BLT-S800，為支持航天制造提供了更多的可能性。
未來，3D打印技術(shù)將更快的推動航空航天產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與進步。
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