全金属3D打印制造!我国新一代载人飞船试验船返回舱大底框架结构

打印派   2020-05-12 09:50:45

南极熊导读:这次长征五号B火箭成功发射的我国新一代载人飞船试验船,其返回舱防热大底框架原来是3D打印出来的——激光沉积金属3D打印技术!

2020年5月8日13时49分,由中国航天科技集团空间技术研究院抓总研制的我国新一代载人飞船试验船的返回舱,在东风着陆场预定区域成功着陆!

新一代载人飞船是面向我国载人月球探测、空间站运营等任务需求而论证的具有国际先进水平的新一代天地往返运输飞行器。此次试验船飞行任务的圆满成功,标志着中国新一代载人飞船已具备雏形,也标志着舱体结构、材料、控制系统等领域一大批新技术取得了重要突破。

其中重要的技术突破之一,是由航天五院总体部设计的返回舱防热大底框架结构,全部采用金属3D打印工艺制造,成功实现了减轻重量、缩短周期、降低成本等目标。也标志着,大型关键结构件整体3D打印技术通过大考。

△金属3D打印的返回舱防热大底框架结构

防热大底框架的设计师马彬表示,该结构用于飞船返回过程中保护返回舱底部,在进入大气层后起到隔热和承力的作用。其直径较大,使用传统锻造工艺造价极高。同时由于设计方案需要不断调整和迭代,使得原本就异常紧张的研制周期变得捉襟见肘。

马彬为首的设计团队果断决定尝试采用激光沉积3D打印技术来实现“好、快、廉”的设计目标,一方面加速了设计方案的优化和迭代,另一方面同步开展了对激光沉积3D打印工艺的力学性能试验。试验结果表明,激光沉积3D打印技术可以胜任防热大底框架的制造,并可以在提高经济性和周期性前提下,高效配合设计迭代。

据南极熊了解,鑫精合激光科技发展有限公司是承担该防热大底框架增材制造工作的一家民营企业,集团董事长李澄介绍,高性能大型关键金属结构件制造可以说是金属3D打印技术的“鬼门关”,一方面由于零件尺寸过大,内部热应力也呈指数级上升,变形甚至开裂就成了金属增材制造技术的梦魇;另一方面凝固过程、冷却过程控制不住就会产生冶金缺陷,对于关键结构件来讲,冶金缺陷是绝不能容许的问题。

△鑫精合董事长李澄

经过多年的摸索和积累,鑫精合在激光沉积制造金属3D打印技术已经取得了完整突破,本次成功打印返回舱防热大底结构,与其从设备研发生产到材料工艺参数研发的全面自主可控密切相关。打印过程中,鑫精合充分挖掘了自主研制的LiM-S2510设备的工艺潜力,配合强大的工艺设计和后处理能力,最终实现了大型结构的无缺陷制造。其自主研制的工艺控制软件也在本项目的工艺实现过程中起到了关键作用。

△天津镭明激光科技有限公司研制的LiM-S2510 金属3D打印机

目前,激光沉积金属3D打印制造技术在航空航天领域的应用越来越多。增材制造技术不断发展,我国金属制造业将会发生本质性的变革:
①材料冶金技术将发生变革,体现在材料的制备及性能将摆脱传统冶金过程的原理性约束,实现非平衡、梯度、难熔等高性能新材料的智能制备,达到制造过程即是冶金过程的新境界。
②重大装备结构和性能将发生变革,结构件的轻量化、整体化等都将会达到新的水平。
③大型产品制造模式将发生变革,因零件尺寸原因带来的生产准备投入高、周期长等限制已获得突破,大型新产品的研制将可以实现快速、低成本、数字化/智能化制造。

“可上九天揽月,可下五洋捉鳖,谈笑凯歌还。世上无难事,只要肯登攀”。新一代载人飞船返回舱的平稳着陆,意味着不计其数的新技术、新工艺正在中国人民的双手中蓬勃发展,意味着“中国制造”将进入“中国创造”的全新时代,更意味着任何困难也不能阻止中华民族实现中国梦的伟大征程!

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