基于增材工藝的航天關鍵零部件整體輕量化設計

魔猴君  行業(yè)資訊   687天前

2022年8月，工業(yè)和信息化部發(fā)布了《首批增材制造典型應用場景名單》，經(jīng)過地方推薦、專家評審、社會公示等程序，形成了首批增材制造典型應用場景，共有工業(yè)、醫(yī)療、建筑、文化等領域的36個優(yōu)質(zhì)應用場景入選。

為加快增材制造先進技術與裝備應用推廣，中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟設立“增材制造典型應用場景案例專欄”，從需求痛點、案例介紹、技術先進性、應用成效、下一步計劃等角度立體展示優(yōu)秀成果案例。

現(xiàn)將第一期“基于增材工藝的航天關鍵零部件整體輕量化設計”發(fā)布如下。

場景類型：復雜結構產(chǎn)品輕量化設計

場景項目名稱：基于增材工藝的航天關鍵零部件整體輕量化設計 

          裝備制造商：上海探真激光技術有限公司

                 西安鉑力特增材技術股份有限公司

場景項目單位：服務提供商：上海航天精密機械研究所

         應用單位：中國航天科技集團有限公司

一、背景概述

（一）需求痛點

面對新的國際形勢和軍事戰(zhàn)略環(huán)境，航天武器性能要求越來越高，裝備的輕量化、整體化、集成化需求更為緊急與迫切。當前，由于受限傳統(tǒng)制造方法工藝可達性的約束，航天飛行器關鍵零部件產(chǎn)品結構減重越來越難，為了追求更輕的減重目標，其結構越來越復雜，傳統(tǒng)制造成本極高，甚至無法制造，已嚴重制約了高性能新型航天飛行器研制。

（二）解決方案

激光選區(qū)熔化增材制造技術作為最具前景的增材制造技術之一，直接從數(shù)字化模型制造零部件，理論上可實現(xiàn)任意復雜結構制造，如傳統(tǒng)制造工藝難以制造的點陣、蜂窩和隨形流道等復雜的創(chuàng)新結構，如圖1所示，為航天飛行器結構輕量化、熱防控等功能需求提供了切實可行的技術途徑。

（a）點陣結構（b）蜂窩結構（c）拓撲結構

圖 1 增材制造創(chuàng)新型結構

二、案例介紹——點陣+蒙皮整體輕量化舵面

（一）案例描述

舵翼類產(chǎn)品是航天飛行器穩(wěn)定控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構，實現(xiàn)飛行器穩(wěn)定飛行及機動的重要部件。其結構輕量化程度不僅影響飛行器機動性和響應速率，還對舵機系統(tǒng)輸出功率有重要影響。舵翼類產(chǎn)品隨著制造工藝技術的不斷進步，從最初的實心板式舵翼到目前主流的骨架蒙皮式翼舵，如圖2所示，其輕量化水平逐漸提高。

（a）整體夾芯式舵翼（b）加強翼肋夾層結構舵翼（c）骨架蒙皮結構舵翼

圖 2 舵翼產(chǎn)品形式

針對舵翼類產(chǎn)品輕量化迫切需求，采用了點陣+蒙皮整體輕量化結構，實現(xiàn)舵翼產(chǎn)品的創(chuàng)新型設計與制造，舵翼產(chǎn)品內(nèi)部采用點陣結構填充，外面為氣動外形薄壁蒙皮結構，點陣和蒙皮為整體結構，直接整體增材制造成形。

圖 3 鋁合金點陣+蒙皮整體輕量化折疊空氣舵實物

點陣+蒙皮整體輕量化舵面采用激光選區(qū)熔化成形技術，產(chǎn)品制造裝備為西安鉑力特公司的BLT-S300型激光選區(qū)熔化成形裝備，最大可成形尺寸為250×250×400mm3，如圖 4（a）所示；以及上海探真公司的TS320型激光選區(qū)熔化成形裝備，最大可成形尺寸為320×320×420 mm3，如圖 4（b）所示。

（a）BLT-S300 型  （b）TS320 型

圖 4 激光選區(qū)熔化成形設備 

（二）技術水平及先進性

一是鋁合金點陣+蒙皮整體輕量化折舵面較實心舵面減重65.5%，舵翼結構減重明顯。

二是在給定面載荷下最大等效應力小于屈服應力，且優(yōu)化后其繞轉軸的轉動慣量減小65.4%，效果明顯。

三是通過內(nèi)部點陣結構的設計，如晶胞結構、布局優(yōu)化等可實現(xiàn)舵翼質(zhì)心的自由調(diào)節(jié)，減少配重使用，甚至可以完全替代傳統(tǒng)配重塊調(diào)節(jié)。

四是工藝簡單，制造周期縮短，成本降低。點陣+蒙皮整體輕量化舵翼結構可直接激光選區(qū)熔化整體成形，無需蒙皮焊接和焊縫檢測等工序。

三、應用推廣成效

該類點陣+蒙皮整體輕量化舵翼產(chǎn)品已通過了靜力、展開和掛機飛行展開試驗考核。目前，已穩(wěn)定為某幾個飛行器型號每年配套100余件，有力支撐了型號的研制。

四、下一步提升及推廣

目前，基于增材制造技術，通過點陣結構設計與制造已實現(xiàn)了舵翼類產(chǎn)品的輕量化。后續(xù)將進一步通過新材料和創(chuàng)新微結構設計在舵翼類產(chǎn)品阻尼性能的防顫振，以及通過微流道結構在舵翼類產(chǎn)品防隔熱等功能性提升方面開展工作，進一步提升舵翼類產(chǎn)品功能性指標。該類產(chǎn)品具有很好的推廣應用前景，尤其是未來武器裝備隱身和大機動要求，型號小型化、輕量化需求更加迫切，其推廣價值更大。

來源：上海航天精密機械研究所