3D打印钛合金结构件及其在航空航天上的应用

3D打印钛合金结构件及其在航空航天上的应用曹乃亮空间二部[e-mail]二〇一五年十二月二十四日一、3D打印概况二、3D打印的技术原理三、3D打印的应用四、3D打印钛合金结构件五、国际研究现状六、国内相关研究七、面临的问题和挑战八、前瞻提纲3D打印是快速成形技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，国外称为增材制造（Additivemanufacturing）一、3D打印概况1.3D打印的概念及原理一、3D打印概况2.3D打印与传统制造的比较一、3D打印概况3.3D打印的发展史二、3D打印的技术原理3D打印的主要工艺有：•立体光刻成型•熔融堆积成型•分层实体制造•电子束熔融•激光近净成型•激光选区融化SLA又称立体光刻、光成形等，是一种采用激光束逐点扫描液态光敏树脂使之固化的RP成形工艺。二、3D打印的技术原理1.立体光刻成型（SLA）FDM的材料一般是热塑性材料，以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结二、3D打印的技术原理2.熔融堆积成型（FDM）LOM工艺是是基于激光切割薄片材料、由黏结剂黏结各层成形二、3D打印的技术原理3.分层实体制造（LOM）EBM是采用高能电子束作为加工热源，扫描成形可以通过操纵磁偏转线圈进行，且电子束具有的真空环境，还可以避免金属粉末在液相烧结或熔化过程中被氧化。二、3D打印的技术原理4.电子束熔融（EBM）LENS原理是将金属粉末从送粉头的喷嘴喷射到激光焦点的位置完成熔化堆积过程。全部粉末路径由保护气体推动，保护气体将金属粉末与空气隔离，从而避免金属粉末氧化；可方便加工熔点高、难加工的材料。致密度接近100%，适合大型构件整体制造。二、3D打印的技术原理5.激光近净成型（LENS）SLM是在激光选区烧结（SLS）的基础上发展起来的，其发展历程经历低熔点非金属粉末烧结、低熔点包覆高熔点粉末烧结、高熔点粉末直接熔化成形等阶段。致密度可达到100%，尺寸精度达20～50μm，表面粗糙度达20～30μm，是一种极具发展前景的快速成形技术。二、3D打印的技术原理6.激光选区融化（SLM）二、3D打印的技术原理6.激光选区融化（SLM）目前，3D打印已在工业造型、机械制造、军事、建筑、影视、家电轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域得到广泛应用，并随着技术的发展，其应用领域不断拓展。三、3D打印应用三、3D打印应用密度小、熔点高、强度高、导热系数小、耐腐蚀、耐高温四、3D打印钛合金结构件钛合金特性钛合金的3D打印因其密度小、强度高、熔点高、耐腐蚀、导热率低、在加热时热量不会发散引起局部变形等优点非常适于3D打印钛合金的航空航天应用主要用在飞机骨架、发动机压气机叶片、航天器的压力容器、燃料贮箱、紧固件、结构件、构架和火箭壳体等实现异形复杂结构形式，壁厚最薄可达0.3mm~0.4mm；近净成型，精度可达0.05mm；同样比刚度下，3D打印相比传统制造的重量降低50%以上；降低成本，缩短加工周期；能将设计更改的成本降到最低；原理样机的低成本、快速制造。四、3D打印钛合金结构件3D打印钛合金的优点2014年12月17日，美国商业公司研制的全球首台微重力3D打印机在“国际空间站”依照美国航空航天局从地面发送的设计文件打印出套筒扳手五、国际研究现状美国航空航天局的工程师利用3D打印技术制备了第一个3D打印的Invar合金（殷钢）轻量化结构。五、国际研究现状航空喷气-洛克达因公司分别于2014年6月和12月对采用3D打印技术生产的BabyBantam火箭发动机进行了点火试验五、国际研究现状空客防务与航天事业部采用3D打印技术制备的卫星上的支架，节省了20%的成本。该支架用于碳纤维蜂窝板和卫星主体，需要承受-180℃～150℃环境产生的热应力五、国际研究现状2014年1月6日发射的猎鹰-9火箭上的9台灰背隼-1D发动机中的一个采用了3D打印技术制备的主氧化阀门。该阀门成功经受了液氧的高压、低温以及发射时的振动五、国际研究现状2013年，搭载有3D打印零部件的立方体卫星KySat-2从弗吉尼亚的Wallops飞行基地成功发射。其中使用选择性激光烧结工艺制造了五个零部件安装在了KySat-2的太阳能电池板上。五、国际研究现状2015年10月，欧洲最大的卫星制造商ThalesAleniaSpace公司宣布，该公司正在承建的两颗韩国通信卫星Koreasat5A和Koreasat7将使用大型的金属3D打印部件，其中包括一个大型天线支撑结构。五、国际研究现状瑞士航天公司RUAGSpace的专家使用3D打印技术为一颗地球观测卫星打造了一个天线的支架；RUAG之前曾经为欧洲航天局（ESA）的Sentinel-1A雷达卫星供应过类似的支架。五、国际研究现状2013年，“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”获国家技术发明奖一等奖。使我国成为继美国之后、世界上第二个掌握飞机钛合金结构件激光快速成形及技术的国家六、国内研究现状国内在3D打印金属结构件方面开展的相关，取得了突破性的进展，具体如下：2015年9月25日，长征十一号在酒泉卫星发射中心成功发射，此次发射搭载了浦江一号卫星。而浦江一号也在国内卫星上首次应用了3D打印技术，其天线支架采用了3D打印钛合金材料六、国内研究现状北京航空航天大学，激光增材制造装备运行车间内，技术人员正在对巨型3D打印机进行设备检查六、国内研究现状华中科技大学，研发出的选择性激光烧结成形设备，中国运载火箭技术研究院首都航天机械公司引进了一台该设备，并与华中科技大学联合成立了快速成形技术联合实验室，从事选区激光熔化技术的研究。六、国内研究现状西北工业大学的凝固技术国家重点实验室一直从事3D打印技术的研究。正在进行C919飞机上的钛合金选型试验件生产，尺寸最大的零件已经达到了2.85ｍ六、国内研究现状上海航天设备制造总厂于2013年成立3D打印研究中心，自主研制出选区激光熔化设备，可制备的材料包括钛合金、不锈钢等;中国航天科技集团公司一院211厂引进的首台高精度3D打印设备调试到位，该厂将运用该设备研制某型号发动机叶轮和某型号翼轴组合体，并接受飞行试验考核;中国科学院金属研究所在钛合金3D打印技术应用于医疗领域取得阶段性成果。六、国内研究现状北京动力机械研究所近日运用金属材料的3D打印技术，成功试制出部分航天发动机关键零部件;中国航天科技集团公司六院试验区试车台，某型号试车发动机经两次点火试车圆满成功。此次试车发动机上的起动器、发生器出口管采用了3D打印技术.六、国内研究现状用于钛合金等大型金属材料3D打印的大功率激光器；3D打印过程的钛合金沉积速率仍然偏低；3D打印技术对于钛粉的形状、大小及纯度要求更高；凝固组织和内部缺陷的控制；3D打印钛合金“特种热处理”新工艺；如何解决大型结构件开裂、变形大、疲劳强度低的问题，是当前的重点突破环节。七、面临的问题和挑战航天器中经常希望在同一个零件的不同部位具有不同的性能，而通过3D打印技术可以很方便地实现一个零件的不同区域具有不同的材料性能；空间在轨打印技术。八、前瞻下图为GEAviation展示的3D打印技术制作的钛合金零件图片展示下图利用3D打印技术制造的A380起落架上的齿轮图片展示下图所示，为国内某机构制造的大型飞机框架图片展示图片展示