◎首都航天機(jī)械有限公司羅志偉 陳靖 王福德 趙衍華 朱瑞燦 陳金存 倪江濤 嚴(yán)振宇

增材制造技術(shù)發(fā)展迅速，已成為先進(jìn)制造業(yè)的重要組成部分，首都航天機(jī)械有限公司不斷拓展增材制造技術(shù)在航天產(chǎn)品上的應(yīng)用，取得了較好的成效。本文對(duì)典型增材制造技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用需求進(jìn)行分析，介紹了先進(jìn)增材制造技術(shù)在型號(hào)方案快速響應(yīng)、創(chuàng)新結(jié)構(gòu)產(chǎn)品研制、難加工產(chǎn)品高效益制造等方面的應(yīng)用，并提出了其未來(lái)發(fā)展設(shè)想。

一、概述

增材制造（3 D打?。┘夹g(shù)基于離散-堆積原理，以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過(guò)軟件和數(shù)控系統(tǒng)直接制造出復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，是一項(xiàng)數(shù)字化先進(jìn)制造技術(shù)。具有明顯的“短流程、低消耗、高柔性、環(huán)境友好、結(jié)構(gòu)-功能一體化、設(shè)計(jì)-制造一體化”等優(yōu)勢(shì)，特別適合高復(fù)雜度、難加工材料產(chǎn)品的快速、高質(zhì)量研制。隨著航天領(lǐng)域裝備對(duì)“結(jié)構(gòu)高效能、質(zhì)量高可靠、研制低成本”的更嚴(yán)苛要求，越來(lái)越多的“功能一體化、整體化、輕量化”結(jié)構(gòu)將被應(yīng)用，傳統(tǒng)制造手段難以完全滿(mǎn)足裝備發(fā)展的需求。加之航天制造本身具有的多品種、小批量、快速研制的生產(chǎn)特點(diǎn)，迫切需要制造方法的革新帶動(dòng)航天制造的進(jìn)步。

根據(jù)對(duì)型號(hào)產(chǎn)品的梳理統(tǒng)計(jì)，總結(jié)出以下幾類(lèi)典型增材制造技術(shù)應(yīng)用需求：

1、型號(hào)預(yù)研階段的方案快速響應(yīng)需求

針對(duì)目前航天領(lǐng)域預(yù)研型號(hào)數(shù)量多、研制周期緊的特點(diǎn)，瞄準(zhǔn)傳統(tǒng)制造流程在預(yù)研階段的設(shè)計(jì)方案更迭頻繁、技術(shù)狀態(tài)多變、響應(yīng)太慢的痛點(diǎn)開(kāi)展應(yīng)用研究，利用增材制造純數(shù)字化、短流程制造的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)-制造高效協(xié)同、制造方案的高效迭代、設(shè)計(jì)意圖的快速驗(yàn)證。

2、型號(hào)產(chǎn)品創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的制造需求

未來(lái)航天產(chǎn)品為提升服役性能及可靠性，結(jié)構(gòu)形式將呈現(xiàn)輕量化、整體化、結(jié)構(gòu)功能一體化的創(chuàng)新式發(fā)展趨勢(shì)。針對(duì)該類(lèi)制造需求，迫切需要解放設(shè)計(jì)約束，通過(guò)采用增材制造技術(shù)，解決傳統(tǒng)方法無(wú)法經(jīng)濟(jì)制造或根本無(wú)法制造的難題。

3、傳統(tǒng)難加工構(gòu)件的高效益制造需求

型號(hào)產(chǎn)品金屬艙段、骨架、傳力/支撐結(jié)構(gòu)等大型、超大型鈦合金、高溫合金難加工產(chǎn)品傳統(tǒng)加工難度大、成本高、周期長(zhǎng)，經(jīng)常成為型號(hào)研制的短板，針對(duì)上述難加工構(gòu)件的制造瓶頸，開(kāi)展增材制造凈成形/近凈成形，減少加工量，降低加工難度，實(shí)現(xiàn)降本增效。

二、首都航天機(jī)械有限公司增材制造能力簡(jiǎn)介

首都航天機(jī)械有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)公司）針對(duì)上述需求，自2012 年即開(kāi)始金屬增材制造技術(shù)研究與工程應(yīng)用。目前已形成了覆蓋“三類(lèi)熱源、五種方法、十余牌號(hào)材料”的金屬增材制造體系，建成了高水平的專(zhuān)業(yè)化人才隊(duì)伍，建立了獨(dú)立的增材制造中心，擁有核心增材制造裝備十四臺(tái)套，技術(shù)方向涵蓋激光選區(qū)熔化、激光熔化沉積、電弧熔絲增材、電子束熔絲增材等，配套設(shè)備近十臺(tái)套，具備了型號(hào)小規(guī)模批量研制能力。

在上述軟硬件能力支撐下，開(kāi)展了較深入的技術(shù)基礎(chǔ)研究，已經(jīng)具備了扎實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)用于支撐型號(hào)應(yīng)用。

在激光選區(qū)熔化成形領(lǐng)域，深入研究多材料體系的超常熔凝行為特點(diǎn)，掌握了超常熔凝條件下的冶金缺陷產(chǎn)生機(jī)理，建立了基于“鋪粉-熔化-凝固-鋪粉”工藝全過(guò)程的數(shù)值仿真模型，實(shí)現(xiàn)了冶金缺陷、典型微觀組織結(jié)構(gòu)的較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。建立了多約束條件下的應(yīng)力、應(yīng)變演化模型，掌握復(fù)雜產(chǎn)品的變形規(guī)律?；诖私⒘嗣嫦蚬こ痰摹俺煞?組織-性能-精度”協(xié)同調(diào)控方法，鈦合金、高溫合金等典型金屬材料力學(xué)性能優(yōu)于鍛件水平，尺寸精度控制最高可達(dá)0.1mm。

在激光熔化沉積成形領(lǐng)域，掌握了鈦合金宏觀晶粒形態(tài)與工藝參數(shù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了晶粒形態(tài)的主動(dòng)控制。探明了其微觀組織變化規(guī)律，掌握了微觀組織特點(diǎn)與性能相關(guān)性，通過(guò)主動(dòng)調(diào)控使力學(xué)性能優(yōu)于鍛件標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)度波動(dòng)范圍不超過(guò)3%。掌握了米級(jí)構(gòu)件應(yīng)力分布與變形規(guī)律，建立了應(yīng)力與變形演化模型，實(shí)現(xiàn)了成形過(guò)程變形預(yù)測(cè)。

在電弧熔絲沉積成形領(lǐng)域，研究并首次提出了基于焊絲成分控制、熔滴過(guò)渡模式、成形工藝參數(shù)及熱處理制度等匹配協(xié)調(diào)控制的工藝控制原則，實(shí)現(xiàn)增材制造產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量和力學(xué)性能的有效控制。突破了基于零件幾何特征的電弧增材路徑規(guī)劃方法，實(shí)現(xiàn)大尺寸“懸空曲面”、“艙體內(nèi)網(wǎng)格”、“異形截面”等結(jié)構(gòu)的路徑自主優(yōu)化設(shè)計(jì)，并形成相關(guān)前處理軟件。

目前，公司已累計(jì)申請(qǐng)?jiān)霾闹圃祛I(lǐng)域發(fā)明/國(guó)防專(zhuān)利四十余項(xiàng)，建立了較完善的標(biāo)準(zhǔn)體系，累計(jì)編制各級(jí)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)近二十項(xiàng)。

三、增材制造技術(shù)在航天產(chǎn)品上的推廣應(yīng)用

目前公司已累計(jì)完成近二十個(gè)型號(hào)，百余圖號(hào)，兩千余件產(chǎn)品的研制與交付，先后實(shí)現(xiàn)了9 個(gè)型號(hào)產(chǎn)品的地面考核試驗(yàn)，3 個(gè)型號(hào)產(chǎn)品通過(guò)飛行考核，1 個(gè)型號(hào)產(chǎn)品進(jìn)入定型批產(chǎn)狀態(tài)。在滿(mǎn)足型號(hào)“寬約束”的設(shè)計(jì)制造一體化、重大關(guān)鍵產(chǎn)品快速研制的需求，以及提升核心制造能力方面發(fā)揮了較好的作用。

（一）在型號(hào)方案快速響應(yīng)方面的應(yīng)用

增材制造技術(shù)以其短流程、高柔性、近凈成形的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，可有效滿(mǎn)足以新一代大推力、可重復(fù)使用和高效低成本運(yùn)載火箭為代表的預(yù)研型號(hào)在研制期間頻繁進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證和迭代的需求。

公司充分發(fā)揮其技術(shù)方向全面、材料體系豐富、技術(shù)基礎(chǔ)扎實(shí)、設(shè)備能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪、集合環(huán)、液氧頂蓋、出口集合器法蘭、保護(hù)罩，箭體結(jié)構(gòu)安溢活門(mén)、管路支架、配重支架、推力室套筒以及艙外航天服頭盔、面罩、風(fēng)管等幾十型產(chǎn)品的快速研制。其中，新一代運(yùn)載火箭、液體發(fā)動(dòng)機(jī)和其他航天裝備均處于預(yù)研階段，大量產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案需進(jìn)行多次更改和驗(yàn)證，采用傳統(tǒng)制造工藝難以滿(mǎn)足型號(hào)研制進(jìn)度需求。針對(duì)這一問(wèn)題，公司利用增材制造設(shè)計(jì)制造一體化信息平臺(tái),幾天內(nèi)完成了設(shè)計(jì)方案的驗(yàn)證和迭代，單件產(chǎn)品全流程生產(chǎn)周期僅1 周左右。某型號(hào)長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭是航天一院最新研制的低成本、快速機(jī)動(dòng)的固體運(yùn)載火箭，根據(jù)其搭載的載荷不同，衛(wèi)星支架和配重支架的設(shè)計(jì)方案需頻繁更改，對(duì)產(chǎn)品研制周期提出了較高的要求。公司結(jié)合產(chǎn)品特點(diǎn)，分別采用電弧熔絲增材制造技術(shù)和激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了2 類(lèi)配重支架的快速研制，全流程生產(chǎn)周期僅10 天，有效滿(mǎn)足了運(yùn)載火箭快速響應(yīng)的要求，最終產(chǎn)品已搭載運(yùn)載火箭完成了飛行試驗(yàn)考核，這也是國(guó)內(nèi)航天領(lǐng)域首個(gè)通過(guò)飛行試驗(yàn)的電弧熔絲增材制造鋁合金產(chǎn)品。

目前，新型航天裝備需求迫切，軍民融合逐漸深入，民用航天發(fā)展迅速，航天領(lǐng)域預(yù)研背景和型號(hào)數(shù)量逐漸增多，型號(hào)產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)迭代已成為影響型號(hào)發(fā)展的重要一環(huán)，增材制造技術(shù)與信息化和數(shù)字化技術(shù)的結(jié)合已成為其中一項(xiàng)重要手段，具有廣泛的應(yīng)用前景。

（二）在創(chuàng)新結(jié)構(gòu)產(chǎn)品研制方面的應(yīng)用

為滿(mǎn)足日益復(fù)雜的服役壞境和對(duì)可靠性的更高要求，航天裝備產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式呈現(xiàn)輕量化、整體化、結(jié)構(gòu)功能一體化的創(chuàng)新式發(fā)展趨勢(shì)，而傳統(tǒng)制造工藝無(wú)法滿(mǎn)足該類(lèi)產(chǎn)品的制造需求，故可通過(guò)采用增材制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的整體化制造，從而釋放設(shè)計(jì)約束。

公司結(jié)合增材制造技術(shù)特點(diǎn)，通過(guò)增材制造設(shè)計(jì)制造一體化信息平臺(tái)，與設(shè)計(jì)部門(mén)多次對(duì)接，反復(fù)迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)，完成了新一代液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)五位一體排氣錐、一體化噴注器、一體化二底、一體化篩孔渦流器及其他型號(hào)輕量化點(diǎn)陣夾芯套筒、點(diǎn)陣夾芯板折疊舵、整體化推力室和整體化艙段等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造。其中，采用激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)研制的輕量化點(diǎn)陣夾芯套筒和折疊舵在滿(mǎn)足其性能和隔熱等要求的前提下，可實(shí)現(xiàn)減重30%以上，攻克了傳統(tǒng)方法無(wú)法制造的難題；采用電弧熔絲增材制造的支架結(jié)構(gòu)，在滿(mǎn)足性能要求的前提下，可實(shí)現(xiàn)減重20%以上。另外，采用增材制造技術(shù)一體化制造的排氣錐、二底、篩孔渦流器和推力室等產(chǎn)品，將零件數(shù)量由幾個(gè)甚至幾十個(gè)減少至一個(gè)，大幅縮短生產(chǎn)工序和周期，同時(shí)在一定程度上提高了系統(tǒng)可靠性。

圖1 增材制造技術(shù)在型號(hào)快速響應(yīng)方面的應(yīng)用

圖2 增材制造技術(shù)在創(chuàng)新結(jié)構(gòu)產(chǎn)品研制方面的應(yīng)用

增材制造技術(shù)的發(fā)展，解決了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、內(nèi)流道結(jié)構(gòu)、空間曲面結(jié)構(gòu)等復(fù)雜產(chǎn)品的制造難題，解放了設(shè)計(jì)約束，使得設(shè)計(jì)人員可以基于增材制造工藝，采用商業(yè)數(shù)字化軟件和二次開(kāi)發(fā)相結(jié)合的方法，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)航天產(chǎn)品性能的全面提升，促進(jìn)航天裝備快速發(fā)展。

（三）在難加工產(chǎn)品高效益制造方面的應(yīng)用

航天大型鈦合金骨架、支座、高溫合金殼體等結(jié)構(gòu)通常采用鍛造+機(jī)械加工的生產(chǎn)方式，其加工難度大、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、材料利用率低、生產(chǎn)成本高，通常成為型號(hào)研制的短板。而增材制造技術(shù)具有近凈成形的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)大尺寸鈦合金和高溫合金等難加工金屬材料的高效制造，從而減少加工難度，加快研制進(jìn)程。

公司前期通過(guò)開(kāi)展激光熔化沉積增材制造和電弧熔絲增材制造技術(shù)研究，完成了新一代長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭捆綁支座、尾翼接頭、氦儲(chǔ)罐等大型鈦合金產(chǎn)品的研制，內(nèi)部質(zhì)量和力學(xué)性能均達(dá)到鍛件水平，其中，上下捆綁支座實(shí)現(xiàn)等強(qiáng)度減重40%以上；尾翼接頭實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)周期縮短50%；氦儲(chǔ)罐是航天領(lǐng)域內(nèi)首個(gè)通過(guò)液壓試驗(yàn)考核的電弧增材一米級(jí)鈦合金壓力容器產(chǎn)品；而芯級(jí)捆綁支座是航天領(lǐng)域迄今為止集中力承載環(huán)境最?lèi)毫拥?D 打印產(chǎn)品，公司掌握了其全流程制造關(guān)鍵技術(shù)，產(chǎn)品先后通過(guò)了300 噸級(jí)和400 噸級(jí)的地面考核，并搭載運(yùn)載火箭順利通過(guò)飛行考核驗(yàn)證。

增材制造近凈成形的技術(shù)特點(diǎn)使其在大尺寸復(fù)雜難加工金屬構(gòu)件研制方面具有巨大優(yōu)勢(shì)，其材料利用率遠(yuǎn)高于鍛造+機(jī)加，從而可有效降低成本，縮短周期，目前正在航空航天大尺寸復(fù)雜產(chǎn)品制造領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

三、未來(lái)增材制造發(fā)展設(shè)想

增材制造技術(shù)由于天然具有的鮮明數(shù)字化、信息化特點(diǎn)，使其成為最具潛力實(shí)現(xiàn)智能制造的方法之一。但目前增材制造技術(shù)在工程應(yīng)用過(guò)程中仍存在一些技術(shù)局限性，制約了該技術(shù)方向完全智能化和信息化的實(shí)現(xiàn)，相關(guān)問(wèn)題有待今后一段時(shí)期持續(xù)進(jìn)行深入研究。

圖3 增材制造技術(shù)在大尺寸難加工產(chǎn)品研制方面的應(yīng)用

主要體現(xiàn)在：現(xiàn)有增材制造環(huán)節(jié)智能化水平不足；設(shè)計(jì)制造一體化不充分，信息共享程度不高；制造過(guò)程信息流的數(shù)據(jù)應(yīng)用不充分；理論模型研究欠缺，設(shè)計(jì)制造精確性不足。

針對(duì)上述問(wèn)題，建議未來(lái)發(fā)展重點(diǎn)開(kāi)展以下方面研究：

1、重點(diǎn)開(kāi)展高度智能化的航天特種裝備自主研發(fā)，結(jié)合已有信息化技術(shù)開(kāi)展智能化分布式產(chǎn)線(xiàn)的開(kāi)發(fā)與試用；

2、進(jìn)一步強(qiáng)化設(shè)計(jì)制造一體化，打通設(shè)計(jì)制造間的數(shù)據(jù)交互瓶頸環(huán)節(jié)，搭建高度一體化創(chuàng)新研發(fā)平臺(tái)；

3、重視制造環(huán)節(jié)的信息流數(shù)據(jù)收集與應(yīng)用，推進(jìn)過(guò)程大數(shù)據(jù)分析等在產(chǎn)品研制過(guò)程中的應(yīng)用，通過(guò)過(guò)程數(shù)據(jù)預(yù)判產(chǎn)品質(zhì)量，并基于此實(shí)現(xiàn)參數(shù)閉環(huán)反饋控制；

4、開(kāi)展面向增材制造的設(shè)計(jì)、制造、實(shí)驗(yàn)考核等各環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)理論研究，建立相關(guān)專(zhuān)用數(shù)值模型與數(shù)據(jù)庫(kù)，提升設(shè)計(jì)、制造精確性。