3D打印技术在航天企业的应用

武瑞刚,韩利萍,楚蓓蓓，闫佳佳，解亚波,周 斌

(山西航天清华装备有限责任公司，山西 长治 046000)

0 引言

3D打印(Three Dimensional Printing)是借助软件将零部件结构数据数字化，通过数控系统将材料逐层堆积固化，制造出实体零件的一种技术[1]。相对于传统的切削加工(减材制造)，3D打印是一种“自下而上”增材制造的方法[2]。作为一种新型的速成型技术，它包含了计算机辅助设计、数控技术、材料成型等诸多方面的先进制造技术，具有很好的应用前景[3]。

航天领域的零部件要求可靠性高，结构精密复杂，其加工难度大，制造周期长，而3D打印技术以其成型快、精度高、工艺简单等特点广泛应用于航天领域，可大大减少航天行业生产加工中人力、物力以及资金的投入，缩短生产周期，提高生产效率。

1 3D打印技术在航天领域的应用

1.1 3D打印技术在航天领域的应用现状

在航天领域，3D打印的应用越来越广泛。在国外，美国航空航天局采用3D打印技术制备了电子器件的冷却板、封装板和防护板等类似零件[4]；NASA马歇尔航天飞行中心利用SLM技术实现了燃气发生器导管的整体制造，解决了导管大曲率、小弯曲半径结构特点难加工的困难[5-6]；奥地利Lithoz公司基于光刻的陶瓷制造技术(LCM)自主研发了LithaCore 450硅基材料,用于打印陶瓷叶片型芯，满足了航天航空的要求；2018年11月，美国航空管理局已批准3D打印支架用于波音747-8机型的GEnx-2B发动机。在国内，国防科技大学采用尼龙3D打印设备，直接制造无人机、定位导航外壳，解决了传统工艺制造成型困难、时间长和成本高等问题；北京航空航天大学开展激光快速成型工程化应用技术研究，先后制造出飞行器TC4舱体框、发动机压气机叶片和TA15钛合金角盒等零件；中国科学院沈阳自动化研究所应用MPLS多层熔覆技术对螺旋桨叶腐蚀损伤部位进行修复，该技术的应用展现了将成批库存寿命期内的腐蚀桨叶再次装机使用的光明前景，有较高的军事价值和经济效益。

1.2 3D打印技术在航天领域的应用优势

由于航天行业的特殊性，航空航天装备对材料的性能和成分要求十分严苛，对产品的精密度、质量、重量等方面都提出了更高的要求，传统加工方法操作复杂，生产周期长。将3D打印技术应用到航天产品上，经过近些年的研究与推行，有以下优势：

(1)3D打印技术可显著提高材料利用率，它可以采用钛合金粉末、铝合金粉末和镍基高温合金粉末等加工航空航天中应用广泛、性能优良的高温合金件、结构复杂件，在加工过程中对粉末可充分利用，节约原材料，降低制造成本。

(2)3D打印技术可实现复杂难加工零件的成型。3D打印技术最突出的优点是可根据数据化模型直接成型，无需借助机械加工或模具。在航天工程中，通常有一些零部件结构设计复杂，传统机械加工难以实现或加工周期长且精度不高，而应用3D打印技术可解决这一难题。

(3)3D打印技术可有效实现轻量化。在保证产品性能的前提下，无需焊接、铆接等组装工艺，通过优化将复杂结构设计成简单结构，减少零部件数量，实现零部件的整体成型制造，满足轻量化要求；通过拓扑优化与设计，使得零件应力分布合理，获得高强度的结构，满足航天工程对零件高性能的要求。

(4)3D打印技术可修复零部件破损部分。在修复零部件破损部分时，修复区与基材可以达到最优的匹配，实现了零件制造过程的良性循环。

2 3D打印技术在航天企业的应用

对于机械制造型企业来讲，航天产品中某些特殊性能零件装夹困难、加工难度大、制造周期长，且经常需要外协制造，制约了产品交付，不仅如此，随着任务的增多，对产品的质量也提出了更高的要求。综合以上特点，山西航天清华装备有限责任公司在企业内部设立青年创新基金项目，首次开展对3D打印技术的研究，即在复杂产品加工之前，利用3D打印机直接成形产品模型，可预先分析实际加工中的难点，在产品正式加工时，可提升产品的合格率，使制造流程大为缩短，经过为期半年的研究，有以下研究成果：

(1)选取某航天产品支架、防护罩以及生活中常见的笔筒等零件，利用3D打印机(如图1所示)进行3D打印技术研究。经过研究，掌握了3D打印相关理论，突破了模型数据建立、去除多余材料等关键技术，形成了3D打印操作规程，为后续发展和工程应用奠定了技术基础。

图1 3D打印机 图2 支架

(2)在企业内部首次提出增材制造概念，并以某支架(如图2所示)、滚柱零件(如图3所示)、壳体(如图4所示)和防护罩(如图5所示)为试验件探索复杂曲面零件的加工方法，具有开创性意义。

图3 滚柱 图4 壳体

图5 防护罩

(3)可快速修复一些机床上的破损零部件。对于设备上的某些非金属件，若损坏，可直接通过3D打印机打印出替换品，加快了维修速度，确保了产品的按时交付，也降低了采买成本。

(4)以企业在制的典型零件作为突破口，开展相关技术预研，以期提高产品的制造稳定性、缩短制造周期、缓解交付压力，为其他类似零件的生产拓展思路，积累经验，提供参考。

由于受设备本身限制，本企业3D打印所用材料均为PLA及ABS高分子聚合物，对金属粉末成型技术还在理论研究阶段。

3 发展前景展望

3D打印技术是我国制造行业与国外先进水平差距较小的领域之一，3D打印技术在未来加工制造领域的潜力巨大，将会引领制造业的发展趋势。作为一项革命性的制造技术，虽然还存在技术不够成熟的问题，但是它对于未来生产制造技术的发展具有巨大的影响力。我们应该不断深入地探究和发展3D打印技术，使其更加成熟，更好地应用于现代加工制造业领域中，让其更有效地服务于我国的制造业。