航天科技第一研究院王福德: 增材制造技术在航天领域的应用与展望

2019-10-25 20:32:12 测试12 收藏

2019年9月19-21日,IAME中国(西安)国际3D打印博览会暨高峰论坛在西安高新国际会议中心举办。2019IAME旨在搭建增材制造(3D打印)科技创新的开放合作共享交流平台,汇聚全球顶尖的增材制造(3D打印)领域成果及人才,促进行业各环节、产业链的衔接融合。南极熊作为战略合作媒体,到西安现场全程报道。


在“增材制造技术与航空航天论坛”上,航天科技第一研究院王福德做了主题是《增材制造技术在航天领域的应用与展望》的报告。

下面南极熊根据现场速记整理的内容:

内容主要有几部分,一是背景,二是国外增材制造在航天领域的应用;三是国内增材制造研究进展及航天工程应用;四是未来展望;五是结束语。

一、背景
在过去60年,航天制造支撑了航天事业完成了三大里程碑,成为航天事业发展的坚实基础和技术保障,新时期党中央提出了建设航天强国的新目标和新要求,航天制造作为“高、精、尖”制造的代表,是中国制造的重要核心力量,发展发挥好牵引、辐射、带动作用,引领我国制造业的发展。

这个话肯定很多人有意见,中国航天承载了载人航天、北斗导航、深空探测、空间站建设等国家重大工程,型号研制任务重、周期紧,现在我在那个厂也面临很多制造问题,确实存在这个问题,需要新技术的使用和推广。

国外Space X,所谓的商业航天,都在发展低成本的发射,更加需要快速低成本的技术,3D打印确实是一个比较好的技术,能够适应这个形势的发展。这个需求是形势要求、产品新需求和实施途径。

二、国外增材制造在航天领域的应用
国外包括美国,欧盟、欧空局,澳大利亚都搞了增材制造,我们国家也搞,2025里面也有一部分增材制造的东西,我后面主要讲NASA,NASA在很多年以前,80年代末到90年代开始,研究各种各样的3D打印技术,主要在发动机方面,他通过一系列项目的支撑,现在有一个发动机技术,他投入了很多钱做,包括RS25,他做了很多增材制造,包括选区、送粉、电弧、电子束送丝等做了很多技术制造航天零部件。

他当时搞了一个项目:Additive Manufacturing Demonstrator Engine(AMDE)Project,这个航天发动机在氧涡轮泵、氢涡轮泵、喷注器、阀门、喷管、燃烧室都采用增材制造, Demonstrator Engine,这个Engine也试车,很多都在不同阶段都进行试车,包括波段级试车和整机试车他都在做。

每个表里面都详细列出来了,包括喷注器,Injector原来252零件,用6个零件把它打印出来,减少大量零部件的装配,提高了可靠性,包括氢涡轮泵,OTP是氧涡轮泵,以及燃烧室,都采用了大量的3D打印技术。这是它的同位燃烧室,他把燃烧室都装配起来,有的也进行了试车。包括喷注器,Additive Combustion Chambers Assembly,252个零件变成6个零件打印出来,他也做了试车。一氧涡轮泵采用了很多3D打印技术,氢轻涡轮泵也采用了3D打印技术。不同的泵门,因为航天发动机主要有两个涡轮泵,一个氢涡轮泵,氧涡轮泵,燃烧室以及喷管,再就是各种各样的阀门组成,还有一些管路,这几大部件都采用了3D打印技术,包括大喷管,采取了激光送粉技术电弧增材制造技术,和电子束熔增材制造技术,做了很多喷管外壁的制造,内壁采用铜内壁,下面网格结构,内流道结构,外面的蒙皮,这个外壁用激光送丝增材制造技术打印出来,避免了传统采用电铸镍的技术和真空扩散钎焊的技术,提高了它的可靠性,最后他进行了整车的试车。未来它的目标通过这个AMDMA的技术,3D打印会推广,包括核推进和后续商业航天,都采用大量的3D打印技术进行新的航天发动机的推广。

三、国内增材制造研究进展及航天工程应用
介绍一下我们厂的,航天包括有卫星,箭体和发动机,发动机主要是六院,我们211厂有液氢一氧发动机,就是低温发动机在我们厂。这是完整的发动机,带螺旋内流道发动机,我们3D打印进行了流量测试,包括内流道的表面质量,进行了流道测试,已经通过了考核,下一步有机会进行热试车,这是我们打的排气凸锥,当时长五的发动机上一个排气锥,根据NASA,现在新的90发动机的研制,重型运载火箭发动机的研制,我们进行了一体化喷注器的3D打印,喷嘴一体的3D打印,这个都在预研阶段,大零件送粉制造技术我们打了CZ-5B的捆绑支架,CZ-5B新机只有一机,它新机加上四个助推,这个捆绑制作非常大,它连接捆绑新机重要的承力结构,我们最后进行了全件的全应力考核,最后加了两倍载荷,零件变形在许可范围内,今年年底或者明年这个会随着长5B去飞行。

这个为什么这么重要,长5B新机只有一机,它减重,我们把换成TC11,换成钛合金,我们没有通过结构减重,只是材料减重,减重大概40%,它减重了200公斤,长5B捆绑结构减重,这200公斤直接变成200公斤的载荷,这个意义非常重大。

包括我们打了一些中小结构的,包括某型号的尾翼接头,某型号的仪器支架金属骨架,中小结构都在一米左右的零件,中间这个零件是复合制造,下半部分比较复杂的支架采取选区,上面简单采用送粉的制造技术打出来。在电弧大力件结构快速反应,在长11的火箭,长11昨天又发了一发,去年年底没有发,是我们打了一个卫星支架,电弧3D打印唯一通过飞行考核验证的一个零件,通过了真的飞行考核,2018年12月21日通过飞行考核,跟着长11飞行了一下。我们打了一个非常大的铝合金舱段,全部做了无损检测,它的断裂性能可以达到锻造性能的要求,如果传统的方式制造,一般要两三个月,我们这个十来天就做出来了。上一张图是40个小时,这个快返非常快,整个卫星支架,包括配重盘,我们不加班,正常情况下10来天打出来。

这个是重型捆绑,刚才讲长5B的捆绑这个是新型重型火箭捆绑,它的新机直径10米,捆绑5米。我们最近打了一个最右边是氦储罐,直径1米,重型运载火箭有几个低温储罐装液氦,TA7的材料,现在两段正在机加,现在给90发动机打的燃烧室的夹套,高温合金的,那边打了重型运载火箭高温合金的球阀,在预研型号进行了应用。

四、未来展望
王君平先生介绍了一些专机的研制,最右边那个图,现役型号运载火箭的喷管采用管塑螺旋式焊接结构,由几百根螺旋空管把它焊起来,现在如果有大的选区装备,可以把它一体打印,旁边是我们打的缩比件,包括关键零部件国产化,还有激光器,光纤激光器国内也有中小功率,包括大功率,光纤激光器也有,包括整镜,整镜现在大量采用德国,包括3D打印整机装备,选区装备国产化率已经非常高了,关键零部件包括3D大幅面的选区,专机的3D打印,右边直径大端直径大概1米2,高1米4,小端直径大概500多,如果有这么大的装备,零件非常轻,采用几百个螺旋管术把它焊接起来,时间周期非常长,如果用3D打印整体打印出来,大大缩短了产品的研制周期。

解决标准问题,质量管控问题,包括原材料,包括可重复粉末利用,我们厂做了很多工作,形成了很多标准。3D打印无损检测的问题,这是大家共同面临的问题,3D打印随着零件复杂形状的增加越来越不可检,中间的曲线纵坐标是零件复杂程度,横坐标是零件的检测方法,随着复杂程度的提高基本上不可减。现在无损检测技术不光咱们用,NASA,NDT的做了很多研究,现在对于复杂形状,5类形状的复杂材料,目前唯一的检测方法只有(英:迈克若CT)这个方法可以检验。

标准体系的建立,国内各个厂家,包括各个行业都在制定不同的标准体系,标准如果没有,设计人员无从参考,限制了这个技术的使用,最右边那个图,我们传统的设计人员想要锻造的组织,我们3D打印的组织和锻造组织不一样,如何满足传统,所有的逻辑都要跟锻件比,因为锻件已经被传统的设计人员所接受了,3D打印有3D打印的组织特征,包括大尺寸结构,送粉打的那个,包括电弧打的钛合金,损伤熔限不差,但是静态变形比锻件低一些,就是将来如何使用的问题。

五、结束语
我借用了别人的图,AM is a great techeology,if we can make it work。3D打印是非常伟大的技术,满足现代工业设计的制造,关键是质量,还包括管控,左边是我们3D打印得到的组织特征,极端情况下是多孔的,右边都是锻造的组织特征,右下角是锻造,左边是3D打印高温合金,上面是钛合金的组织结构,我们如何从3D打印满足设计的要求路很长,我没有画路,我画的水,真正做3D打印的人跳到这个海洋里亲身经历努力游过去,未来共同把3D打印推的更广,不光在航空航天,在民用,包括汽车等其他的领域都可以在未来使用。


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