激光增材制造技術(shù)在航天構(gòu)件整體化輕量化制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

董 鵬 梁曉康 趙衍華 敖洪峰

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激光增材制造技術(shù)在航天構(gòu)件整體化輕量化制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

董 鵬 梁曉康 趙衍華 敖洪峰

（首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076）

激光增材制造技術(shù)具有制造精度高、表面質(zhì)量好以及能夠?qū)崿F(xiàn)懸空、復(fù)雜內(nèi)腔和型面等復(fù)雜構(gòu)件的整體制造等特點(diǎn)，是滿足航天領(lǐng)域中復(fù)雜薄壁精密構(gòu)件高精度、高性能制造的理想制造方法。并且，激光增材制造技術(shù)對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的約束較小，可以實(shí)現(xiàn)質(zhì)量分配更為合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同時(shí)，激光增材制造技術(shù)可以將多個(gè)部件焊接/鉚接組成零件進(jìn)行整體制造，大幅減少零件中部件數(shù)量。采用激光增材制造工藝可以有效地實(shí)現(xiàn)航天構(gòu)件的整體化、輕量化制造。本文針對(duì)國外激光增材制造技術(shù)在航天領(lǐng)域中整體化、輕量化制造的應(yīng)用現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析與展望。

增材制造技術(shù)；整體化設(shè)計(jì)制造；輕量化設(shè)計(jì)制造

1 引言

激光增材制造技術(shù)是一種離散分層-逐層疊加的增材制造技術(shù)。與常規(guī)的車、銑、鑄、鍛、焊等加工技術(shù)相比，該技術(shù)具有從CAD模型到實(shí)物制造周期短、成形件力學(xué)性能好、成形精度高、材料利用率高、無需刀具、模具以及工裝等優(yōu)勢(shì)[1～6]。因此，該技術(shù)對(duì)于產(chǎn)品復(fù)雜性的邊際成本為零，也就是說產(chǎn)品越復(fù)雜，采用激光增材制造技術(shù)就越具備性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。

由于激光增材制造工藝在制造過程中幾乎不受模具、刀具以及工裝的限制，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)擺脫了制造工藝的束縛，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了更大的自由度。采用基于激光增材制造工藝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠最大程度發(fā)揮激光增材制造工藝的優(yōu)勢(shì)?？梢詫?shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體或部分整體制造，減少結(jié)構(gòu)所需的部件數(shù)量，減少制造工序，縮短制造周期，減少焊接/鉚接接頭等工藝結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化。同時(shí)，由于在設(shè)計(jì)過程中制造工藝性因素影響較小，使構(gòu)件的功能實(shí)現(xiàn)成為設(shè)計(jì)的主導(dǎo)，最大程度上實(shí)現(xiàn)功能優(yōu)先的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

近些年，隨著激光增材制造設(shè)備與工藝的不斷完善，基于激光增材制造工藝的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)成為各國研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)，特別是航空航天、防務(wù)企業(yè)的研究重點(diǎn)之一。其中America Makes 2015年公布的第三批9個(gè)項(xiàng)目中有5個(gè)是關(guān)于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。歐盟由航空航天等應(yīng)用企業(yè)-設(shè)備以及制造工藝服務(wù)商-設(shè)計(jì)軟件企業(yè)組成聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)開展基于激光增材制造優(yōu)化設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用。本文主要從基于激光增材制造工藝的整體化制造以及基于激光增材制造工藝結(jié)構(gòu)輕量化兩方面對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析。

2 基于激光增材制造優(yōu)化設(shè)計(jì)在航天領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 基于激光增材制造工藝的整體設(shè)計(jì)制造

受到制造工藝約束，一些零件采用傳統(tǒng)制造技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)整體制造，只能分部制造然后再進(jìn)行焊接或鉚接連接。激光增材制造技術(shù)的工藝約束較少，可將由多個(gè)部件焊接/鉚接組成的零件進(jìn)行整體制造，實(shí)現(xiàn)“化零為整”。大幅減少零件中部件數(shù)量，減少加工工序，節(jié)約成本和制造周期。同時(shí)由于減少了裝配組合工序，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可以取消一些焊接/鉚接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化。

NASA馬歇爾航天中心采用激光增材制造技術(shù)制備的大量的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)零件，包括發(fā)生器導(dǎo)管、旋轉(zhuǎn)適配器等，如圖1所示。圖2為采用激光增材制造技術(shù)制備的RS-25火箭發(fā)動(dòng)機(jī)彎曲接頭，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，采用激光增材制造優(yōu)化設(shè)計(jì)可以減少60%以上的零件數(shù)量、焊縫以及機(jī)械加工工序。表1、表2為其他采用激光增材制造制備零件與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)零件成本和制造時(shí)間的對(duì)比，結(jié)果表明采用激光增材制造設(shè)計(jì)可以大量的降低制造成本與制造時(shí)間。

圖2 采用激光增材制造技術(shù)制備RS-25火箭發(fā)動(dòng)機(jī)彎曲接頭

表1 RS-25火箭發(fā)動(dòng)機(jī)彎曲接頭傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與激光增材制造設(shè)計(jì)對(duì)比

表2 NASA 其他采用激光增材制造制備的零件

圖3 NASA MADE計(jì)劃的發(fā)動(dòng)機(jī)

在前期研究的基礎(chǔ)上，NASA提出了AMDE（Additive Manufacturing Demonstrator Engine）計(jì)劃，對(duì)增材制造技術(shù)在氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)整體化設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用進(jìn)行驗(yàn)證，如圖3所示。與傳統(tǒng)制造方法相比，采用增材制造技術(shù)設(shè)計(jì)制造的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)零件總數(shù)減少80%。表3為主要部件中采用增材制造設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)所需零件數(shù)。MADE發(fā)動(dòng)機(jī)中的噴注器組件如圖4所示。

表3 MADE發(fā)動(dòng)機(jī)中主要部件兩種工藝設(shè)計(jì)零件數(shù)對(duì)比

圖4 MADE發(fā)動(dòng)機(jī)中的噴注器組件

2.2 基于激光增材制造工藝的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

除了可以實(shí)現(xiàn)“化零為整”外，采用激光增材制造還可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)制造。在航天行業(yè)中，減重占據(jù)著舉足輕重的地位，每減輕1kg結(jié)構(gòu)重量將使系統(tǒng)和燃料重量減少30～100kg，這意味著采用輕量化結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)大幅節(jié)省發(fā)射成本，提高載荷效率。

拓?fù)鋬?yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中一種高層次的優(yōu)化方法，是一種根據(jù)給定設(shè)計(jì)區(qū)間內(nèi)根據(jù)載荷條件與邊界條件優(yōu)化材料、結(jié)構(gòu)布局以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)性能指標(biāo)的數(shù)學(xué)方法。通過拓?fù)鋬?yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)滿足性能指標(biāo)的最優(yōu)的概念設(shè)計(jì)。在拓?fù)鋬?yōu)化過中，根據(jù)所給定的載荷以及邊界約束條件采用有限單元法對(duì)設(shè)計(jì)區(qū)內(nèi)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，刪除低應(yīng)力單元，通過迭代循環(huán)直至達(dá)到滿足優(yōu)化目標(biāo)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。采用拓?fù)鋬?yōu)化通常會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)傳統(tǒng)制造工藝難以加工的復(fù)雜的三維曲面以及中空結(jié)構(gòu)。受到制造工藝性（刀具、模具、工裝等）以及制造成本的限制在實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造中，往往不能達(dá)到拓?fù)鋬?yōu)化的最佳效果。激光增材制造工藝為拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種幾乎無工藝限制的制造手段，結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)與激光增材制造工藝相結(jié)合，可以發(fā)揮出激光增材制造工藝在零件輕量化制造方面的最大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)的制造。

空中客車防務(wù)與宇航公司（Airbus Defence and Space）英國分部采用激光增材制造技術(shù)制備了歐洲航天局Eurostar E3000的鋁合金支架，該支架用于安裝遙測(cè)和遙控天線。圖5為該支架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化過程，通過拓?fù)鋬?yōu)化以及激光增材制造工藝，實(shí)現(xiàn)由4個(gè)零件通過44個(gè)鉚釘連接而成支架結(jié)構(gòu)的整體制造，并且通過優(yōu)化設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)35%減重的同時(shí)提高40%的結(jié)構(gòu)剛度。目前激光增材制造制備的鋁合金支架已經(jīng)成功地完成了質(zhì)量檢測(cè)，具備了衛(wèi)星裝載飛行的資質(zhì)。

圖5 激光增材制造制備的Eurostar E3000衛(wèi)星支架

圖6為歐空局Sentinel 1衛(wèi)星天線支架的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)與制造，通過拓?fù)鋬?yōu)化以及激光增材制造工藝，實(shí)現(xiàn)由數(shù)個(gè)零件鉚接而成天線制造的整體輕量化制造，且重量由1.626kg降到0.936kg，實(shí)現(xiàn)42%的減重。

圖6 衛(wèi)星天線支架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化過程

3 展望

3.1 基于激光增材制造工藝自支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造

增材制造雖然具有較高的設(shè)計(jì)自由度，并且在制造過程中無需模具。但是其逐層制造的特點(diǎn)會(huì)帶來一些工藝限制，例如在成形懸臂結(jié)構(gòu)或傾角小于45°或大于135°的斜面時(shí)，由于重力的作用，容易造成熔池下陷，導(dǎo)致成形失敗，因此需要輔助支撐結(jié)構(gòu)對(duì)熔池提供額外的支撐。

對(duì)于激光增材制造工藝，輔助支撐結(jié)構(gòu)不僅會(huì)增加制造時(shí)間以及材料使用，在成形后還需要大量的工序用于支撐去除。當(dāng)構(gòu)件較為復(fù)雜時(shí)，其所需添加的支撐也更為復(fù)雜，在后處理過程中需要大量的時(shí)間和成本去除支撐。

因此，根據(jù)激光增材制造成形工藝特性，在結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行再設(shè)計(jì)或在拓?fù)鋬?yōu)化中增加工藝約束，使最終優(yōu)化的結(jié)構(gòu)避免出現(xiàn)孔洞、懸臂等需要添加輔助支撐結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)激光增材制造工藝自支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成為未來拓?fù)鋬?yōu)化與激光增材制造工藝相結(jié)合技術(shù)領(lǐng)域一個(gè)重點(diǎn)研究方向。

3.2 空間三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制造

與二維蜂窩結(jié)構(gòu)相比，三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性更強(qiáng)，比剛度和比強(qiáng)度、吸能性能經(jīng)過設(shè)計(jì)可以優(yōu)于傳統(tǒng)的二維蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，能夠滿足構(gòu)件的超輕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和多功能性要求。圖7為三種不同設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)及重量，采用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)54%的減重，三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)62%的減重。因此，采用空間三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成為未來激光增材制造輕量化設(shè)計(jì)制造的重點(diǎn)研究發(fā)展方向之一。

圖7 采用不同優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

本文對(duì)國外激光增材制造在航天構(gòu)件整體化、輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了分析。激光增材制造使得基于功能優(yōu)先的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)成為可能，有助于充分挖掘結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)所帶來的整體化、輕量化的潛力。隨著激光增材制造技術(shù)與裝備的不斷完善與發(fā)展，基于激光增材制造工藝的自支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及空間三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為未來激光增材制造技術(shù)整體化、輕量化制造領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

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Research Status of Laser Additive Manufacturing in Integrity and Lightweight

Dong Peng Liang Xiaokang Zhao Yanhua Ao Hongfeng

(Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076)

Laser Additive Manufacturing is considered as a high accuracy, high performance and short cycle technique for manufacturing components for aerospace applications. In addition, the use of additive manufacturing processes offers great promise in reducing manufacturing turnaround times and ultimately overall product cost. This review presents current and development of additive manufacturing in integrity and lightweight manufacturing components.

laser additive manufacture；integrity manufacture；lightweight manufacture

董鵬（1983），高級(jí)工程師，光學(xué)工程專業(yè)；研究方向：增材制造、激光材料加工。

2018-02-05