“在很多人眼中，3D打印產(chǎn)品的一個(gè)特點(diǎn)是快，質(zhì)量卻沒有那么理想，因?yàn)橐话惝a(chǎn)品會(huì)比較脆、易碎，那么，科研人員使用新技術(shù)進(jìn)行3D打印的產(chǎn)品和火箭一起上天能行嗎？答案是，能，而且非常棒。”
2022年12月31日，首都航天機(jī)械有限公司總工藝研究師王福德接受中央廣播電視總臺(tái)中國(guó)之聲記者采訪，就《火箭上的哪些是用3D技術(shù)打印的》答記者問，揭秘可以上天的3D打印技術(shù)。本文均來自公開內(nèi)容，發(fā)布已獲得火箭院相關(guān)部門審核授權(quán)。
2022年12月9日，首次實(shí)施中國(guó)運(yùn)載火箭海上熱發(fā)射的捷龍三號(hào)火箭首飛成功；2022年12月16日，長(zhǎng)十一火箭成功發(fā)射。這兩型火箭上面有一些構(gòu)件就是科研人員應(yīng)用3D打印技術(shù)“打印”出來的。
王福德：捷龍三號(hào)火箭上的2件衛(wèi)星適配器和1件過渡段是采用電弧熔絲增材制造技術(shù)打印的，長(zhǎng)十一火箭上的衛(wèi)星適配器的端框也采用電弧熔絲增材制造技術(shù)制造，衛(wèi)星適配器的8件支撐桿采用激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)打印。另外，2022年長(zhǎng)十一火箭還完成了三次發(fā)射，其中衛(wèi)星適配器均采用電弧熔絲增材制造技術(shù)打印。
捷龍三號(hào)固體運(yùn)載火箭點(diǎn)火起飛
3D打印是快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。而在捷龍三號(hào)和長(zhǎng)十一火箭上用到的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)都屬于3D打印技術(shù)。王福德：捷龍三號(hào)火箭和長(zhǎng)十一火箭是我們火箭院為滿足商業(yè)航天低成本快速發(fā)射需求研制的新型固體運(yùn)載火箭，這兩型火箭的特點(diǎn)就是高效、低成本。衛(wèi)星適配器是需要根據(jù)衛(wèi)星的尺寸、結(jié)構(gòu)、數(shù)量、接口狀態(tài)等進(jìn)行定制化的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。因此每發(fā)火箭的適配器結(jié)構(gòu)都不一樣，屬于單件生產(chǎn)。
傳統(tǒng)衛(wèi)星適配器一般采用的是蒙皮桁條鉚接工藝制造或者是鑄造工藝制造，這兩種工藝都需要復(fù)雜的模具，工裝生產(chǎn)周期特別長(zhǎng)，因?yàn)槊恳话l(fā)火箭發(fā)射的衛(wèi)星不同，衛(wèi)星適配器自然也不同，所以采用傳統(tǒng)工藝制造的工裝和模具使用完成后就不能再繼續(xù)使用，這就難以滿足型號(hào)快速響應(yīng)的要求。此時(shí)，最新的3D打印火箭產(chǎn)品的技術(shù)就可以大顯身手。王福德：增材制造技術(shù)因?yàn)樗鼰o需工裝模具，且制造周期短，可滿足快速響應(yīng)、低成本和高質(zhì)量的制造需求，同時(shí)又可以提供產(chǎn)品結(jié)構(gòu)功能一體化的設(shè)計(jì)水平，在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品減重同時(shí)，提高系統(tǒng)的可靠性。簡(jiǎn)而言之就是低成本、高可靠?？墒牵诤芏嗳搜壑?，3D打印產(chǎn)品的一個(gè)特點(diǎn)是快，質(zhì)量卻沒有那么理想，因?yàn)橐话惝a(chǎn)品會(huì)比較脆、易碎，那么，科研人員使用新技術(shù)進(jìn)行3D打印的產(chǎn)品和火箭一起上天能行嗎？答案是，能，而且非常棒。王福德：火箭衛(wèi)星支架是關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)，火箭上的任何一部件都不允許失敗。因此我們打印的時(shí)候，不光對(duì)打印技術(shù)有充分的認(rèn)知，還要對(duì)這個(gè)材料有更深層次的認(rèn)知。我們打印的過程中，通過控制工藝參數(shù)，包括過程監(jiān)測(cè)，能夠保證產(chǎn)品的質(zhì)量達(dá)到鍛件的水平。在金屬材料金屬結(jié)構(gòu)的制造工藝當(dāng)中，鍛件的性能是最好的。王福德介紹，3D打印這些部件在原理上與普通部件3D打印沒有本質(zhì)區(qū)別，但這些部件都是火箭的關(guān)鍵承載構(gòu)件，同時(shí)尺寸較大，直徑多在1米以上，目前打印的最大火箭構(gòu)件直徑達(dá)到了3.35米。航天發(fā)射對(duì)打印構(gòu)件性能的批次穩(wěn)定性、質(zhì)量一致性以及超大構(gòu)件打印過程中的變形開裂控制問題均提出了更高要求。王福德：因?yàn)?D打印是由點(diǎn)到線，再到面，再到體的成型（形）過程，就像繡花一樣，是一點(diǎn)一點(diǎn)“繡”成的，打印大型構(gòu)件的話，保證整個(gè)構(gòu)件各地方的組織性能均一致，以及變形與開裂的控制，這個(gè)都是我們的技術(shù)亮點(diǎn)。
零件在打印過程中
為了保證產(chǎn)品各方面性能一致，科研人員進(jìn)行了6年技術(shù)攻關(guān)，自主研制了基于“雙機(jī)器人+變位機(jī)”的高效電弧熔絲3D打印裝備，現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)直徑4米構(gòu)件的3D打印，同時(shí)在原材料控制方面，研制了電弧熔絲增材專用高強(qiáng)韌鋁合金絲材，攻克了電弧熔絲增材制造鋁合金各項(xiàng)異性的難題，使成形件各項(xiàng)性能差異由19%降為3%；目前，使用電弧熔絲增材制造的大型鋁合金構(gòu)件已經(jīng)有13件成功發(fā)射，成功率達(dá)到100%。王福德：比如我們采用了強(qiáng)剛度設(shè)計(jì)，又加上了仿真預(yù)測(cè)、在線監(jiān)控、變形補(bǔ)償，還有全流程調(diào)控方法，來解決大零件打印過程中的變形與開裂問題。我們打印出來的零件，可以做到各個(gè)方向的性能一致，偏差在3%以內(nèi)，做到這個(gè)也是很難得的。現(xiàn)在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)來進(jìn)行3D打印火箭零部件只是第一步，王福德透露，目前正在進(jìn)行整體火箭的3D打印技術(shù)攻關(guān)，不久我們將看到由3D技術(shù)打印的整體火箭上天。王福德：我們還在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)難加工高溫合金和銅合金領(lǐng)域開展了應(yīng)用研究。未來整體打印的火箭也有望在我們一院實(shí)現(xiàn)。
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