武瑞剛,韓利萍,楚蓓蓓，閆佳佳，解亞波,周 斌

(山西航天清華裝備有限責任公司，山西 長治 046000)

0 引言

3D打印(Three Dimensional Printing)是借助軟件將零部件結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)數(shù)字化，通過數(shù)控系統(tǒng)將材料逐層堆積固化，制造出實體零件的一種技術(shù)[1]。相對于傳統(tǒng)的切削加工(減材制造)，3D打印是一種“自下而上”增材制造的方法[2]。作為一種新型的速成型技術(shù)，它包含了計算機輔助設計、數(shù)控技術(shù)、材料成型等諸多方面的先進制造技術(shù)，具有很好的應用前景[3]。

航天領域的零部件要求可靠性高，結(jié)構(gòu)精密復雜，其加工難度大，制造周期長，而3D打印技術(shù)以其成型快、精度高、工藝簡單等特點廣泛應用于航天領域，可大大減少航天行業(yè)生產(chǎn)加工中人力、物力以及資金的投入，縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率。

1 3D打印技術(shù)在航天領域的應用

1.1 3D打印技術(shù)在航天領域的應用現(xiàn)狀

在航天領域，3D打印的應用越來越廣泛。在國外，美國航空航天局采用3D打印技術(shù)制備了電子器件的冷卻板、封裝板和防護板等類似零件[4]；NASA馬歇爾航天飛行中心利用SLM技術(shù)實現(xiàn)了燃氣發(fā)生器導管的整體制造，解決了導管大曲率、小彎曲半徑結(jié)構(gòu)特點難加工的困難[5-6]；奧地利Lithoz公司基于光刻的陶瓷制造技術(shù)(LCM)自主研發(fā)了LithaCore 450硅基材料,用于打印陶瓷葉片型芯，滿足了航天航空的要求；2018年11月，美國航空管理局已批準3D打印支架用于波音747-8機型的GEnx-2B發(fā)動機。在國內(nèi)，國防科技大學采用尼龍3D打印設備，直接制造無人機、定位導航外殼，解決了傳統(tǒng)工藝制造成型困難、時間長和成本高等問題；北京航空航天大學開展激光快速成型工程化應用技術(shù)研究，先后制造出飛行器TC4艙體框、發(fā)動機壓氣機葉片和TA15鈦合金角盒等零件；中國科學院沈陽自動化研究所應用MPLS多層熔覆技術(shù)對螺旋槳葉腐蝕損傷部位進行修復，該技術(shù)的應用展現(xiàn)了將成批庫存壽命期內(nèi)的腐蝕槳葉再次裝機使用的光明前景，有較高的軍事價值和經(jīng)濟效益。

1.2 3D打印技術(shù)在航天領域的應用優(yōu)勢

由于航天行業(yè)的特殊性，航空航天裝備對材料的性能和成分要求十分嚴苛，對產(chǎn)品的精密度、質(zhì)量、重量等方面都提出了更高的要求，傳統(tǒng)加工方法操作復雜，生產(chǎn)周期長。將3D打印技術(shù)應用到航天產(chǎn)品上，經(jīng)過近些年的研究與推行，有以下優(yōu)勢：

(1)3D打印技術(shù)可顯著提高材料利用率，它可以采用鈦合金粉末、鋁合金粉末和鎳基高溫合金粉末等加工航空航天中應用廣泛、性能優(yōu)良的高溫合金件、結(jié)構(gòu)復雜件，在加工過程中對粉末可充分利用，節(jié)約原材料，降低制造成本。

(2)3D打印技術(shù)可實現(xiàn)復雜難加工零件的成型。3D打印技術(shù)最突出的優(yōu)點是可根據(jù)數(shù)據(jù)化模型直接成型，無需借助機械加工或模具。在航天工程中，通常有一些零部件結(jié)構(gòu)設計復雜，傳統(tǒng)機械加工難以實現(xiàn)或加工周期長且精度不高，而應用3D打印技術(shù)可解決這一難題。

(3)3D打印技術(shù)可有效實現(xiàn)輕量化。在保證產(chǎn)品性能的前提下，無需焊接、鉚接等組裝工藝，通過優(yōu)化將復雜結(jié)構(gòu)設計成簡單結(jié)構(gòu)，減少零部件數(shù)量，實現(xiàn)零部件的整體成型制造，滿足輕量化要求；通過拓撲優(yōu)化與設計，使得零件應力分布合理，獲得高強度的結(jié)構(gòu)，滿足航天工程對零件高性能的要求。

(4)3D打印技術(shù)可修復零部件破損部分。在修復零部件破損部分時，修復區(qū)與基材可以達到最優(yōu)的匹配，實現(xiàn)了零件制造過程的良性循環(huán)。

2 3D打印技術(shù)在航天企業(yè)的應用

對于機械制造型企業(yè)來講，航天產(chǎn)品中某些特殊性能零件裝夾困難、加工難度大、制造周期長，且經(jīng)常需要外協(xié)制造，制約了產(chǎn)品交付，不僅如此，隨著任務的增多，對產(chǎn)品的質(zhì)量也提出了更高的要求。綜合以上特點，山西航天清華裝備有限責任公司在企業(yè)內(nèi)部設立青年創(chuàng)新基金項目，首次開展對3D打印技術(shù)的研究，即在復雜產(chǎn)品加工之前，利用3D打印機直接成形產(chǎn)品模型，可預先分析實際加工中的難點，在產(chǎn)品正式加工時，可提升產(chǎn)品的合格率，使制造流程大為縮短，經(jīng)過為期半年的研究，有以下研究成果：

(1)選取某航天產(chǎn)品支架、防護罩以及生活中常見的筆筒等零件，利用3D打印機(如圖1所示)進行3D打印技術(shù)研究。經(jīng)過研究，掌握了3D打印相關理論，突破了模型數(shù)據(jù)建立、去除多余材料等關鍵技術(shù)，形成了3D打印操作規(guī)程，為后續(xù)發(fā)展和工程應用奠定了技術(shù)基礎。

圖1 3D打印機 圖2 支架

(2)在企業(yè)內(nèi)部首次提出增材制造概念，并以某支架(如圖2所示)、滾柱零件(如圖3所示)、殼體(如圖4所示)和防護罩(如圖5所示)為試驗件探索復雜曲面零件的加工方法，具有開創(chuàng)性意義。

圖3 滾柱 圖4 殼體

圖5 防護罩

(3)可快速修復一些機床上的破損零部件。對于設備上的某些非金屬件，若損壞，可直接通過3D打印機打印出替換品，加快了維修速度，確保了產(chǎn)品的按時交付，也降低了采買成本。

(4)以企業(yè)在制的典型零件作為突破口，開展相關技術(shù)預研，以期提高產(chǎn)品的制造穩(wěn)定性、縮短制造周期、緩解交付壓力，為其他類似零件的生產(chǎn)拓展思路，積累經(jīng)驗，提供參考。

由于受設備本身限制，本企業(yè)3D打印所用材料均為PLA及ABS高分子聚合物，對金屬粉末成型技術(shù)還在理論研究階段。

3 發(fā)展前景展望

3D打印技術(shù)是我國制造行業(yè)與國外先進水平差距較小的領域之一，3D打印技術(shù)在未來加工制造領域的潛力巨大，將會引領制造業(yè)的發(fā)展趨勢。作為一項革命性的制造技術(shù)，雖然還存在技術(shù)不夠成熟的問題，但是它對于未來生產(chǎn)制造技術(shù)的發(fā)展具有巨大的影響力。我們應該不斷深入地探究和發(fā)展3D打印技術(shù)，使其更加成熟，更好地應用于現(xiàn)代加工制造業(yè)領域中，讓其更有效地服務于我國的制造業(yè)。