董 鵬 梁曉康 趙衍華 敖洪峰

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激光增材制造技術在航天構件整體化輕量化制造中的應用現(xiàn)狀與展望

董 鵬 梁曉康 趙衍華 敖洪峰

（首都航天機械有限公司，北京 100076）

激光增材制造技術具有制造精度高、表面質量好以及能夠實現(xiàn)懸空、復雜內腔和型面等復雜構件的整體制造等特點，是滿足航天領域中復雜薄壁精密構件高精度、高性能制造的理想制造方法。并且，激光增材制造技術對于結構設計的約束較小，可以實現(xiàn)質量分配更為合理的結構設計。同時，激光增材制造技術可以將多個部件焊接/鉚接組成零件進行整體制造，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現(xiàn)航天構件的整體化、輕量化制造。本文針對國外激光增材制造技術在航天領域中整體化、輕量化制造的應用現(xiàn)狀和技術發(fā)展的現(xiàn)狀進行了分析與展望。

增材制造技術；整體化設計制造；輕量化設計制造

1 引言

激光增材制造技術是一種離散分層-逐層疊加的增材制造技術。與常規(guī)的車、銑、鑄、鍛、焊等加工技術相比，該技術具有從CAD模型到實物制造周期短、成形件力學性能好、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[1～6]。因此，該技術對于產(chǎn)品復雜性的邊際成本為零，也就是說產(chǎn)品越復雜，采用激光增材制造技術就越具備性價比優(yōu)勢。

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，使結構設計擺脫了制造工藝的束縛，為結構設計提供了更大的自由度。采用基于激光增材制造工藝的結構設計，能夠最大程度發(fā)揮激光增材制造工藝的優(yōu)勢。可以實現(xiàn)結構的整體或部分整體制造，減少結構所需的部件數(shù)量，減少制造工序，縮短制造周期，減少焊接/鉚接接頭等工藝結構，實現(xiàn)結構輕量化。同時，由于在設計過程中制造工藝性因素影響較小，使構件的功能實現(xiàn)成為設計的主導，最大程度上實現(xiàn)功能優(yōu)先的結構設計。

近些年，隨著激光增材制造設備與工藝的不斷完善，基于激光增材制造工藝的結構優(yōu)化設計成為各國研究機構與企業(yè)，特別是航空航天、防務企業(yè)的研究重點之一。其中America Makes 2015年公布的第三批9個項目中有5個是關于結構優(yōu)化設計。歐盟由航空航天等應用企業(yè)-設備以及制造工藝服務商-設計軟件企業(yè)組成聯(lián)合研發(fā)團隊開展基于激光增材制造優(yōu)化設計研究與應用。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構輕量化兩方面對結構優(yōu)化設計應用現(xiàn)狀進行分析。

2 基于激光增材制造優(yōu)化設計在航天領域應用現(xiàn)狀

2.1 基于激光增材制造工藝的整體設計制造

受到制造工藝約束，一些零件采用傳統(tǒng)制造技術無法實現(xiàn)整體制造，只能分部制造然后再進行焊接或鉚接連接。激光增材制造技術的工藝約束較少，可將由多個部件焊接/鉚接組成的零件進行整體制造，實現(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。同時由于減少了裝配組合工序，在結構設計中可以取消一些焊接/鉚接結構，實現(xiàn)結構的輕量化。

NASA馬歇爾航天中心采用激光增材制造技術制備的大量的火箭發(fā)動機零件，包括發(fā)生器導管、旋轉適配器等，如圖1所示。圖2為采用激光增材制造技術制備的RS-25火箭發(fā)動機彎曲接頭，與傳統(tǒng)設計相比，采用激光增材制造優(yōu)化設計可以減少60%以上的零件數(shù)量、焊縫以及機械加工工序。表1、表2為其他采用激光增材制造制備零件與傳統(tǒng)設計零件成本和制造時間的對比，結果表明采用激光增材制造設計可以大量的降低制造成本與制造時間。

圖2 采用激光增材制造技術制備RS-25火箭發(fā)動機彎曲接頭

表1 RS-25火箭發(fā)動機彎曲接頭傳統(tǒng)設計與激光增材制造設計對比

表2 NASA 其他采用激光增材制造制備的零件

圖3 NASA MADE計劃的發(fā)動機

在前期研究的基礎上，NASA提出了AMDE（Additive Manufacturing Demonstrator Engine）計劃，對增材制造技術在氫氧發(fā)動機整體化設計制造中的應用進行驗證，如圖3所示。與傳統(tǒng)制造方法相比，采用增材制造技術設計制造的氫氧發(fā)動機零件總數(shù)減少80%。表3為主要部件中采用增材制造設計與傳統(tǒng)工藝設計所需零件數(shù)。MADE發(fā)動機中的噴注器組件如圖4所示。

表3 MADE發(fā)動機中主要部件兩種工藝設計零件數(shù)對比

圖4 MADE發(fā)動機中的噴注器組件

2.2 基于激光增材制造工藝的結構拓撲優(yōu)化設計

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

拓撲優(yōu)化是結構優(yōu)化設計中一種高層次的優(yōu)化方法，是一種根據(jù)給定設計區(qū)間內根據(jù)載荷條件與邊界條件優(yōu)化材料、結構布局以實現(xiàn)設計性能指標的數(shù)學方法。通過拓撲優(yōu)化，可以實現(xiàn)滿足性能指標的最優(yōu)的概念設計。在拓撲優(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設計區(qū)內的結構進行調整，刪除低應力單元，通過迭代循環(huán)直至達到滿足優(yōu)化目標的最優(yōu)結構。采用拓撲優(yōu)化通常會導致結構中出現(xiàn)傳統(tǒng)制造工藝難以加工的復雜的三維曲面以及中空結構。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際產(chǎn)品的設計制造中，往往不能達到拓撲優(yōu)化的最佳效果。激光增材制造工藝為拓撲優(yōu)化設計提供了一種幾乎無工藝限制的制造手段，結構拓撲優(yōu)化技術與激光增材制造工藝相結合，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，同時能夠實現(xiàn)拓撲優(yōu)化結構的制造。

空中客車防務與宇航公司（Airbus Defence and Space）英國分部采用激光增材制造技術制備了歐洲航天局Eurostar E3000的鋁合金支架，該支架用于安裝遙測和遙控天線。圖5為該支架結構拓撲優(yōu)化過程，通過拓撲優(yōu)化以及激光增材制造工藝，實現(xiàn)由4個零件通過44個鉚釘連接而成支架結構的整體制造，并且通過優(yōu)化設計在實現(xiàn)35%減重的同時提高40%的結構剛度。目前激光增材制造制備的鋁合金支架已經(jīng)成功地完成了質量檢測，具備了衛(wèi)星裝載飛行的資質。

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)星天線支架的拓撲優(yōu)化設計與制造，通過拓撲優(yōu)化以及激光增材制造工藝，實現(xiàn)由數(shù)個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，實現(xiàn)42%的減重。

圖6 衛(wèi)星天線支架結構拓撲優(yōu)化過程

3 展望

3.1 基于激光增材制造工藝自支撐結構設計與制造

增材制造雖然具有較高的設計自由度，并且在制造過程中無需模具。但是其逐層制造的特點會帶來一些工藝限制，例如在成形懸臂結構或傾角小于45°或大于135°的斜面時，由于重力的作用，容易造成熔池下陷，導致成形失敗，因此需要輔助支撐結構對熔池提供額外的支撐。

對于激光增材制造工藝，輔助支撐結構不僅會增加制造時間以及材料使用，在成形后還需要大量的工序用于支撐去除。當構件較為復雜時，其所需添加的支撐也更為復雜，在后處理過程中需要大量的時間和成本去除支撐。

因此，根據(jù)激光增材制造成形工藝特性，在結構拓撲優(yōu)化的基礎上，對結構進行再設計或在拓撲優(yōu)化中增加工藝約束，使最終優(yōu)化的結構避免出現(xiàn)孔洞、懸臂等需要添加輔助支撐結構，實現(xiàn)激光增材制造工藝自支撐結構設計，成為未來拓撲優(yōu)化與激光增材制造工藝相結合技術領域一個重點研究方向。

3.2 空間三維點陣結構的制造

與二維蜂窩結構相比，三維點陣結構可設計性更強，比剛度和比強度、吸能性能經(jīng)過設計可以優(yōu)于傳統(tǒng)的二維蜂窩夾層結構，能夠滿足構件的超輕結構設計和多功能性要求。圖7為三種不同設計方法設計的結構及重量，采用拓撲優(yōu)化設計可以實現(xiàn)54%的減重，三維點陣結構可實現(xiàn)62%的減重。因此，采用空間三維點陣結構替代傳統(tǒng)結構設計，成為未來激光增材制造輕量化設計制造的重點研究發(fā)展方向之一。

圖7 采用不同優(yōu)化設計方法的結構

4 結束語

本文對國外激光增材制造在航天構件整體化、輕量化領域的應用現(xiàn)狀進行了分析。激光增材制造使得基于功能優(yōu)先的結構優(yōu)化設計成為可能，有助于充分挖掘結構優(yōu)化設計所帶來的整體化、輕量化的潛力。隨著激光增材制造技術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構優(yōu)化設計以及空間三維點陣結構設計成為未來激光增材制造技術整體化、輕量化制造領域的研究重點。

1 Levy G N, Schindel R, Kruth J P. Rapid manufacturing and rapid tooling with layer manufacturing (LM) technologies, state of the art and future perspectives[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2003, 52(2): 589～609

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6 Gibson I, Rosen D W, Stucker B. Additive manufacturing technologies-rapid prototyping to direct digital manufacturing[M]. Springer, 2009: 23～25

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8 http://www.gereports.com/post/91763815095/worlds-first-plant-to-print-jet-engine-nozzles-in/

9 Cutting more than metal: how new technology and flexible engineering can enable affordable space missions[EB/OL].https://mediaex-server.larc.nasa. gov/Academy/Play/7df89d21f0da425b89096b7325bfb2771d#!

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），高級工程師，光學工程專業(yè)；研究方向：增材制造、激光材料加工。

2018-02-05