徐 磊，柏合民，常世杰，朱俊杰，吳 凱，李立春，原 瀟，齊海雁

（1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109；2.上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200240）

0 引言

增材制造（俗稱(chēng)3D 打印）技術(shù)作為第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志，成為近年來(lái)材料科學(xué)、先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域國(guó)際前沿研究和競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)。集數(shù)字化和智能化制造于一體的3D 打印技術(shù)代表著先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展方向。航天飛行器向輕量化、整體化、長(zhǎng)壽命、結(jié)構(gòu)功能一體化，以及低成本方向發(fā)展已成為主流趨勢(shì)［1-7］。

國(guó)際上已經(jīng)有許多通過(guò)3D 打印縮短制造周期、節(jié)省成本、零件減重的成功案例。美國(guó)的創(chuàng)業(yè)型企業(yè)Optisys 公司，通過(guò)仿真技術(shù)和金屬激光選區(qū)熔化3D 打印設(shè)備對(duì)天線進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化與制造。歐洲航天局與ArianeGroup 公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的Ariane6 火箭VINCI 上面級(jí)助推器采用了全新設(shè)計(jì)的3D 打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴。整個(gè)噴嘴頭基于3D 打印技術(shù)采用了一體化設(shè)計(jì)，由248 個(gè)組件簡(jiǎn)化為1 個(gè)組件?？湛虯320 托架通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，采用3D打印技術(shù)一體化成形，最終零件僅重326 g，原始零件重量為918 g，減重幅度為64%。在國(guó)內(nèi)，千乘一號(hào)衛(wèi)星整星結(jié)構(gòu)采用面向增材制造的三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，有效提高整星結(jié)構(gòu)質(zhì)量占比，研制周期縮短至1 個(gè)月［8］。劉書(shū)田、朱繼宏等［9-10］學(xué)者提出并總結(jié)了拓?fù)鋬?yōu)化與增材制造技術(shù)結(jié)合的應(yīng)用前景與所面臨的挑戰(zhàn)，王瑞星［11］采用拓?fù)鋬?yōu)化方法設(shè)計(jì)了一種面向3D 打印制造的一體化星敏支架，面向增材制造的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)正逐漸成為航空航天領(lǐng)域結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的重要手段之一［12-13］。

本文從實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用角度出發(fā)，以航天器薄壁式異型總裝直屬件等次級(jí)結(jié)構(gòu)為對(duì)象，在剛度和強(qiáng)度滿足要求的前提下，開(kāi)展了面向3D 打印技術(shù)的總裝次結(jié)構(gòu)研制方法的研究，同時(shí)從拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)、質(zhì)量控制以及振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證情況等方面對(duì)其在夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙上的應(yīng)用進(jìn)行了介紹。

1 面向3D 打印技術(shù)的次結(jié)構(gòu)研制方法

航天器的次結(jié)構(gòu)主要包括設(shè)備安裝機(jī)加工支架、鈑金支架、電纜固定支架、管路固定卡箍及支架等，其中鈑金支架已基本不存在減重空間，電纜和管路固定支架體積小，減重空間小。機(jī)加工支架基于減重需求一般設(shè)計(jì)為薄壁式結(jié)構(gòu)，在減材制造時(shí)存在材料利用率低且制造周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。綜合考慮減重空間、可制造性、力學(xué)性能、精度控制等方面因素和要求，確定了3D 打印支架的包絡(luò)和配套，供后續(xù)開(kāi)展適應(yīng)性分析。

相比于傳統(tǒng)的“設(shè)計(jì)-仿真校核-改進(jìn)設(shè)計(jì)”的次結(jié)構(gòu)研制模式，在減重和保證性能指標(biāo)前提的要求下，基于3D 打印技術(shù)，以仿真優(yōu)化來(lái)驅(qū)動(dòng)次結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使得復(fù)雜次結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、剛度強(qiáng)度分析可以快速閉環(huán)，節(jié)省了研制時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)效率。同時(shí)，3D 打印拓?fù)鋬?yōu)化可簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，便于后續(xù)制造環(huán)節(jié)的生產(chǎn)加工，也提高了制造端的生產(chǎn)效率。

面向3D 打印技術(shù)的次結(jié)構(gòu)研制流程如圖1 所示，根據(jù)航天器構(gòu)型和設(shè)備布局、設(shè)備安裝接口、載荷條件等設(shè)計(jì)約束條件，以輕量化為目標(biāo)開(kāi)展拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，建立面向3D 打印的拓?fù)鋬?yōu)化支架模型，支架強(qiáng)度剛度校核通過(guò)后即可進(jìn)行3D 打印工藝設(shè)計(jì)與制造。零件生產(chǎn)完成后，經(jīng)必要的3D 打印質(zhì)量檢測(cè)及振動(dòng)試驗(yàn)考核合格后方可交付使用。

圖1 面向3D 打印技術(shù)的次結(jié)構(gòu)研制流程Fig.1 Development process for the sub-structure oriented to the 3D printing technology

2 直屬件優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證

2.1 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

采用傳統(tǒng)制造工藝不能充分體現(xiàn)其方法優(yōu)勢(shì)，如某發(fā)動(dòng)機(jī)支架采用增材制造工藝的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方案相比傳統(tǒng)鈑金輪廓的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方案，支架減重效果由25%提升至66%［12］。面向3D 打印技術(shù)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)該方法直接面向結(jié)構(gòu)載荷工況和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，直接給出空間上所有可能性中的最佳傳力路徑，且生成的最終結(jié)構(gòu)將滿足所有載荷工況和結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，甚至還能考慮制造方式和外觀需求。其相對(duì)傳統(tǒng)試錯(cuò)方法，縮短研制周期，結(jié)構(gòu)形式明確，減重效果更明顯。

根據(jù)夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙總裝布局結(jié)果和載荷條件，對(duì)設(shè)備配套支架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。在支架上的設(shè)備安裝面與艙體安裝面之間的區(qū)域建立支架基礎(chǔ)模型，其中支架安裝耳片處和設(shè)備連接處設(shè)置為非設(shè)計(jì)空間，其余為設(shè)計(jì)空間，根據(jù)支架安裝方式設(shè)置其艙體安裝點(diǎn)的固定約束，設(shè)備使用質(zhì)量點(diǎn)代替。設(shè)備支架在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，以最大剛度法為優(yōu)化目標(biāo)，即求解給定材料空間內(nèi)結(jié)構(gòu)最大剛度的分布形式，約束目標(biāo)為零件基本頻率優(yōu)于100 Hz。采用Inspire 軟件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，并根據(jù)最佳傳力路徑進(jìn)行模型光順處理和連接環(huán)節(jié)詳細(xì)設(shè)計(jì)，形成了優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果模型，如圖2 所示。

圖2 3D 打印支架優(yōu)化設(shè)計(jì)模型Fig.2 Optimized design model of the 3D printing bracket

2.2 仿真驗(yàn)證

針對(duì)上述3D 打印支架，使用Abaqus 軟件，建立有限元模型，將支架安裝面固定，設(shè)備按質(zhì)量點(diǎn)處理。在夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射段載荷條件下，對(duì)支架強(qiáng)度進(jìn)行了校核。仿真結(jié)果表明，支架的最大應(yīng)力不超過(guò)41.95 MPa（z向），最小安全系數(shù)大于5，滿足使用要求。x向載荷下夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙3D 打印支架強(qiáng)度校核結(jié)果如圖3 所示。與傳統(tǒng)機(jī)加式零件相比，優(yōu)化設(shè)計(jì)支架在滿足強(qiáng)度、剛度的前提下，減重效果高達(dá)17%。

圖3 x 向載荷下某3D 打印支架應(yīng)力分布Fig.3 Stress nephogram of a 3D printing bracket under the x-directorial load

3 3D 打印支架制造與質(zhì)量控制

結(jié)合3D 打印技術(shù)特點(diǎn)及機(jī)加工工藝要求，對(duì)產(chǎn)品零件進(jìn)行成形方案設(shè)計(jì)，采用AlSi10Mg 材料進(jìn)行支架3D 打印，經(jīng)激光選區(qū)熔化增材制造成形（SLM），可得到拓?fù)鋬?yōu)化支架成形件實(shí)物，如圖4 所示。成形后，依次進(jìn)行打印支撐的去除、非加工面表面打磨、機(jī)加工等工作。

圖4 某3D 打印支架實(shí)物Fig.4 Picture of a 3D printing bracket

根據(jù)金屬增材制造現(xiàn)狀與問(wèn)題［17-21］，3D 打印設(shè)備支架應(yīng)在完成各項(xiàng)試驗(yàn)及檢測(cè)，并且在滿足設(shè)計(jì)提出的尺寸、表面以及內(nèi)部質(zhì)量、力學(xué)性能等各項(xiàng)指標(biāo)要求的前提下，才具備裝艙使用條件。

3.1 尺寸及形位公差控制

由于刮刀一層一層重復(fù)刮擦運(yùn)動(dòng)、激光選區(qū)熔化成形過(guò)程的內(nèi)應(yīng)力、零件結(jié)構(gòu)的影響，3D 打印零件各個(gè)截面會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形。因此異型結(jié)構(gòu)3D 打印完成后，應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的尺寸偏差檢測(cè)與截面面積偏差評(píng)估。對(duì)產(chǎn)品按圖紙要求進(jìn)行檢驗(yàn)，目前主要采用游標(biāo)卡尺、三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x等進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)，外形非規(guī)則，加工時(shí)可以依據(jù)模型切面進(jìn)行鋪層加工，但檢驗(yàn)時(shí)無(wú)法用傳統(tǒng)手段進(jìn)行，需通過(guò)三維掃描的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸偏差和形位公差的檢驗(yàn)。

如圖5 所示，采用三維掃描儀對(duì)成形零件進(jìn)行掃描，形成實(shí)際零件的逆向模型，將該模型與原始零件加工數(shù)模進(jìn)行比對(duì)，即可確定加工零件尺寸偏差情況。偏差分析過(guò)程中，采用擬合法（體積最佳擬合法）在三維掃描后比對(duì)實(shí)體模型，并給出制造零件的偏差值。某支架尺寸三維掃描結(jié)果如圖5 所示。支架尺寸檢測(cè)結(jié)果如下，均滿足指標(biāo)要求。對(duì)于不同包絡(luò)尺寸的零件的偏差值，隨著高度的增加，精度偏差變大。

圖5 3D 打印支架尺寸三維掃描偏差分析Fig.5 3D scanning deviation analysis on the 3D printing bracket

1）包絡(luò)單個(gè)尺寸≤200 mm，最大偏差不超過(guò)±0.8 mm；

2）包絡(luò)尺寸在200～400 mm 之間的支架，其最大偏差在±1.5 mm 范圍內(nèi)；

3）包絡(luò)尺寸≥400 mm 的支架，其最大偏差在±2 mm 范圍內(nèi)；

4）支架實(shí)際截面面積與理論模型面積偏差均不大于5%。

為滿足設(shè)備安裝精度需求，3D 打印支架安裝面的形位公差均通過(guò)支架產(chǎn)品裝艙后的整體機(jī)加工來(lái)保證。

3.2 質(zhì)量檢驗(yàn)

在零件支架完成機(jī)加工后，按《滲透檢驗(yàn)》HB/Z 61—1998 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)成形件進(jìn)行熒光滲透檢驗(yàn)。經(jīng)滲透檢查，所有支架零件表面均無(wú)裂紋及孔洞，滿足要求。

采用工業(yè)CT 檢查的方法對(duì)3D 打印支架的內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)。如圖6 所示，檢驗(yàn)時(shí)按標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)要求對(duì)產(chǎn)品壁厚、內(nèi)部裂紋、內(nèi)部氣孔、未融合區(qū)域等缺陷的尺寸、面積、位置，以及相鄰缺陷間的間距均進(jìn)行了檢查。經(jīng)CT 檢測(cè)，單個(gè)支架內(nèi)部缺陷數(shù)量不超過(guò)5 個(gè)，單個(gè)最大缺陷直徑0.731 mm 滿足不大于1 mm 的指標(biāo)要求，相鄰缺陷間的間距大于3倍的較大缺陷尺寸，所有3D 打印支架的內(nèi)部質(zhì)量均滿足指標(biāo)要求。

圖6 3D 打印支架內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)照片F(xiàn)ig.6 Pictures of the 3D printing bracket internal quality inspection

3.3 力學(xué)性能檢測(cè)

在成形過(guò)程中，每版零件（即每爐次產(chǎn)品）在零件四周至少排布6 橫6 縱隨爐試樣，保證試樣與支架的成形狀態(tài)相同。打印成形完成后，采用線切割將試樣取下，制成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣進(jìn)行了拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率測(cè)試。經(jīng)測(cè)試，支架同批次試樣的平均抗拉強(qiáng)度不小于291 MPa，平均屈服強(qiáng)度不小于231 MPa，平均斷后延伸率不小于8.0%，均滿足力學(xué)性能要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證情況

為驗(yàn)證基于3D 打印技術(shù)的直屬件研制方法的正確性，進(jìn)一步考核拓?fù)鋬?yōu)化3D 支架是否滿足力學(xué)環(huán)境指標(biāo)要求，以及確定在規(guī)定的力學(xué)環(huán)境條件下，支架某些關(guān)鍵點(diǎn)處的力學(xué)響應(yīng)大小，選取某支架進(jìn)行了正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。如圖7 所示，根據(jù)實(shí)際工況設(shè)計(jì)了設(shè)備質(zhì)量模擬件，使用振動(dòng)工裝來(lái)模擬設(shè)備質(zhì)量模擬件與支架在艙體上的相對(duì)角度和位置。

圖7 3D 打印支架振動(dòng)試驗(yàn)狀態(tài)Fig.7 Vibration test state of the 3D printing bracket

根據(jù)《運(yùn)載器、上面級(jí)和航天器試驗(yàn)要求》GJB 1027 進(jìn)行正弦振動(dòng)試驗(yàn)。振動(dòng)試驗(yàn)中，振動(dòng)加速度響應(yīng)測(cè)點(diǎn)（每個(gè)測(cè)點(diǎn)x、y、z三個(gè)方向）安裝位置如表1 和圖7 所示。經(jīng)x、y、z三方向正弦振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證，正弦試驗(yàn)前后的預(yù)復(fù)振曲線吻合較好，支架與振動(dòng)工裝連接處及支架與設(shè)備連接處的加速度均基本無(wú)放大。支架x向正弦振動(dòng)響應(yīng)曲線如圖8 所示，其中，S4、S5、S6通道分別對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)1（支架與振動(dòng)工裝連接處一側(cè)）的x、y、z三個(gè)方向，S7、S8、S9通道分別對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)2（支架與振動(dòng)工裝連接處另一側(cè)）的x、y、z三個(gè)方向，S10、S11、S12通道分別對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)3（支架與設(shè)備連接處）的x、y、z三個(gè)方向。x、y、z三向隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)與正弦振動(dòng)測(cè)點(diǎn)一致，測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)表明支架與振動(dòng)工裝連接處兩側(cè)總均方根加速度值放大倍數(shù)基本無(wú)放大，支架與設(shè)備連接處放大倍數(shù)不超過(guò)2.46 倍。試驗(yàn)完畢后經(jīng)檢測(cè)，支架未出現(xiàn)異常變形及新增缺陷，成功通過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)考核。

表1 振動(dòng)控制點(diǎn)及測(cè)點(diǎn)位置Tab.1 Positions of the vibration control points and measuring points

圖8 3D 打印支架x 向驗(yàn)收級(jí)正弦振動(dòng)響應(yīng)曲線Fig.8 Sine vibration response curves of the 3D printingbracket under the x-directional load

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了3D 打印技術(shù)在空間站夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙的總裝直屬件中的應(yīng)用情況，提出了基于3D 打印技術(shù)的直屬件研制方法，對(duì)直屬件拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)以及質(zhì)量控制措施進(jìn)行了闡述，選取典型3D 打印支架進(jìn)行了振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，3D 打印支架實(shí)現(xiàn)了有效減重增效。