“飛行器結(jié)構(gòu)產(chǎn)品‘無模具’制造，生產(chǎn)效率提高一倍，在確保性能不下降的基礎(chǔ)上，成本降低近一半，解決了傳統(tǒng)生產(chǎn)模式中加工時(shí)間長、質(zhì)量管控難度大、成本高等難題，通過3D打印一體化成型技術(shù)，數(shù)字化制造能力大幅提升。”

近日，中國航天科工集團(tuán)有限公司二院二部實(shí)現(xiàn)某型飛行器產(chǎn)品復(fù)雜結(jié)構(gòu)3D打印集成制造，這是3D打印技術(shù)在航天領(lǐng)域飛行器研制中的重要里程碑，進(jìn)一步提升了飛行器輕量化水平，為未來新一代飛行器發(fā)展提供了有力支撐。

航天飛行器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)零部件多，生產(chǎn)周期長、成本高。此前，一套復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的部件常常由數(shù)十個(gè)零件組成，每個(gè)零件都要建立三維模型并設(shè)計(jì)“個(gè)性化”的工藝流程，隨后在數(shù)字機(jī)床上逐一進(jìn)行生產(chǎn)加工，生產(chǎn)周期往往按月計(jì)算。同時(shí)，由于“車銑刨磨”等傳統(tǒng)機(jī)加工藝的限制，要讓飛行器“瘦身減肥”很困難，直接影響飛行器的性能提升。有時(shí)候，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師為了減少幾克的重量也是煞費(fèi)苦心。

如今，通過3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)面向增材制造的一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造，可使復(fù)雜部件的零件數(shù)大幅減少，通過一體化三維建模后導(dǎo)入3D打印機(jī)中直接成型，一臺(tái)打印機(jī)可實(shí)現(xiàn)多個(gè)零件的同時(shí)打印，制造時(shí)間從幾個(gè)月縮短到十余天。同時(shí)，隨著零件數(shù)量的減少，部件裝配環(huán)節(jié)也更簡化, 結(jié)構(gòu)可靠性和裝配效率大幅提升。

通過基于3D 打印的優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)師可突破“車銑刨磨”等傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝限制，選擇采用網(wǎng)狀支撐、空心流道等更加優(yōu)化的結(jié)構(gòu)形式。相比傳統(tǒng)棒料或管料的機(jī)加方式，現(xiàn)在可通過“一次成型、少量加工”實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)。針對“一次成型”的3D打印產(chǎn)品，只需要對結(jié)構(gòu)安裝面等表面精度要求比較高的局部部位進(jìn)行少量精加工即完成零件生產(chǎn)，從而大幅提升生產(chǎn)效率。

二部3D打印青年創(chuàng)新工作室負(fù)責(zé)人小金表示：“團(tuán)隊(duì)一直緊跟國內(nèi)外3D打印技術(shù)發(fā)展趨勢，積極開展新技術(shù)、新方法、新工藝的學(xué)習(xí)與應(yīng)用,牽頭解決了多個(gè)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)與一體化制造難題，力爭為先進(jìn)飛行器打造更輕、更強(qiáng)、更耐熱的‘鋼筋鐵骨’。”

3D打印技術(shù)是以金屬粉末、金屬絲為原材料，通過逐層打印、堆積成型的方式實(shí)現(xiàn)構(gòu)件一體化成型的制造技術(shù)，涉及數(shù)字建模、機(jī)電控制、材料科學(xué)與工藝技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域的交叉融合，具有成型精度高、制造周期短、可成型復(fù)雜外形和中空結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，可滿足航天產(chǎn)品“輕量化、高性能、快速研制”的設(shè)計(jì)與制造需求，被認(rèn)為是航天領(lǐng)域未來結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)變革方向之一。

“十三五”期間，二部緊跟3D打印技術(shù)發(fā)展步伐，開展面向增材制造的結(jié)構(gòu)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和應(yīng)用探索, 在復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建模技術(shù)、優(yōu)化仿真分析技術(shù)、數(shù)字化制造仿真技術(shù)、新材料應(yīng)用等方面開展了研究工作。以“賽”“研”“用”等多種形式，鍛煉設(shè)計(jì)師隊(duì)伍，多次組織團(tuán)隊(duì)參加全國3D打印設(shè)計(jì)大賽并屢創(chuàng)佳績。

二部結(jié)構(gòu)室陳主任表示：“在提高設(shè)計(jì)應(yīng)用能力的同時(shí)，我們將經(jīng)驗(yàn)固化形成《面向增材制造的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊》等知識(shí)成果，使增材制造和優(yōu)化設(shè)計(jì)的理念深入人心，并且在項(xiàng)目研制中取得了良好實(shí)效。”

后續(xù)，二部將持續(xù)推動(dòng)基于3D打印技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、應(yīng)用和產(chǎn)品創(chuàng)新，加強(qiáng)一體化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、分析、制造、性能驗(yàn)證等基礎(chǔ)能力建設(shè)。在設(shè)計(jì)理念上踐行“裕度設(shè)計(jì)”向“精細(xì)化設(shè)計(jì)”的轉(zhuǎn)變。同時(shí)，以結(jié)構(gòu)一體化、功能化、智能化為目標(biāo)，進(jìn)一步開展先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)應(yīng)用和探索，促進(jìn)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品從“單一功能”向“多功能”的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)新一代航天飛行器結(jié)構(gòu)性能提升。(金楷杰)