“在很多人眼中，3D打印產(chǎn)品的一個特點(diǎn)是快，質(zhì)量卻沒有那么理想，因為一般產(chǎn)品會比較脆、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中國之聲記者采訪，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，首次實施中國運(yùn)載火箭海上熱發(fā)射的捷龍三號火箭首飛成功；2022年12月16日，長十一火箭成功發(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)。而在捷龍三號和長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：捷龍三號火箭和長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，因為每一發(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，這就難以滿足型號快速響應(yīng)的要求。此時，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)因為它無需工裝模具，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，同時又可以提供產(chǎn)品結(jié)構(gòu)功能一體化的設(shè)計水平，在實現(xiàn)產(chǎn)品減重同時，提高系統(tǒng)的可靠性。簡而言之就是低成本、高可靠?？墒牵诤芏嗳搜壑?，3D打印產(chǎn)品的一個特點(diǎn)是快，質(zhì)量卻沒有那么理想，因為一般產(chǎn)品會比較脆、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。因此我們打印的時候，不光對打印技術(shù)有充分的認(rèn)知，還要對這個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，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：因為3D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)實現(xiàn)直徑4米構(gòu)件的3D打印，同時在原材料控制方面，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異性的難題，使成形件各項性能差異由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，又加上了仿真預(yù)測、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，可以做到各個方向的性能一致，偏差在3%以內(nèi)，做到這個也是很難得的。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現(xiàn)。
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