创想智造3D打印手板模型加工

标题: 3D打印技术首次在中国固体火箭发动机试车上成功应 [打印本页]

作者: iCAx开思网 时间: 2015-9-22 09:56
标题: 3D打印技术首次在中国固体火箭发动机试车上成功应
本帖最后由 iCAx开思网于 2015-9-22 09:57 编辑

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3D打印已经在工业领域广泛应用，甚至已经成为一个国家前沿工业技术水平的标志。欧美发达国家已经将一些3D打印的发动机部件用于航空发动机的测试之中。4月20日，中国航天科工集团第六研究院发布消息，称该院41所应用3D打印技术研制的某型号固体火箭发动机点火装置成功通过发动机地面试车考核，这标志着我国首次成功将3D打印技术应用于固体火箭发动机研制领域。该发动机点火装置上的3D打印部分——壳体，是由湖南华曙高科技有限责任公司（以下简称华曙高科）为航天科工六院“量身打造”。
　　
火箭发动研发遭遇瓶颈
　　
火箭发动机点火装置壳体为空心球形物体，外径约12厘米，球的壁面上上分布着数十个形状各异孔洞。虽然乍一看貌不起眼，但用传统工艺制作在实践中却遭遇瓶颈。
　　
原来在发动机点火前，球壁上的孔洞是呈封闭状的，火药置于球中。点火时，火焰将在极短的时间内按孔洞的导向方向喷向发动机上的相应位置，将发动机点燃。随后，该壳体自身又在极短的时间内化为灰烬。
　　
航天科工六院曾采用传统制造工艺制作壳体，但因其结构复杂、还必须满足发动机点火过程的一系列技术条件，故在设计和加工方面的要求都很高；同时，航天发动机在预研阶段设计方案反复多变，各形态壳体非批量生产，所以生产成本也很高。更关键的是他们使用的传统材质壳体在完成点火喷射后，很难在指定时间内燃尽。
　　
考虑到研制壳体对快速制造响应能力的高要求，六院41所点火技术研究室的科研人员想到了3D打印技术，并曾采用了美国某3D打印机公司设备制造的壳体产品，但实际试验时，点火喷射过程尚未结束，壳体自身已被炸得粉碎。原因是美国公司采用的是熔融沉积制造（FDM），具体是将丝状热塑性材料在喷头内被加热熔化，再像挤牙膏一样，横向、纵向、斜向地挤到每一层平面上，挤出的材料迅速凝固，并与周围的材料凝结成型。一个平面、一个平面叠加，最后形成完整的三维物体。所以打印出来的物体在水平方向的承载能力较强，而垂直方向的承载能力较弱。经力学性能检测，该公司提供的壳体在垂直面的抵抗破坏的能力尚不及水平面的三分之一，所以在点火装置开始运作的瞬间，就沿垂直方向被炸碎。
　　
十种高分子材料助阵
　　
华曙高科所采用的3D打印工艺——选区激光粉末烧结（LS），其产品特性本身就特别符合壳体的要求。
　　
LS技术一样是将物体分为多层，逐层制造，但区别在于：打印机先铺上一层高分子材料粉末，接着电脑按照设计图纸，控制激光对该层对应于工件实体的部分进行扫描，被激光扫描到的粉末被高温熔化，激光离开后又迅速冷却固化成形，由此构筑成一层。逐层铺粉、扫描、成形，最终形成整个物体。激光每扫描一次，并不只是扫描了最上面的一层，而是会穿透已经制造成形的底下多层，使这多层的材质均再次经高温熔化、冷却成形，因此每一层与上下多层之间都经过了多次烧结，层与层之间的连接相对于FDM技术制造的物体就更为坚固。
　　
公司现有十种高分子材料，按照六院给出的设计图，每种材料分别做了十几种不同形状、结构的壳体。每做一次试验，研究人员都会根据试验结果对产品的材料、形状等提出新的要求，公司再根据要求做相应的改进，制造出新的试样。
　　
一年多时间里，华曙高科总共制造了上百个3D打印试样提供给航天科工六院，六院进行了多次单项点火试验来考核壳体性能，为壳体在发动机试车中的成功应用打下坚实基础，最终才有了地面试车的一次性成功。
　　
后续，41所将在功能性优先设计、优化设计、设计引导制造等方面充分利用3D打印技术的优点，实现技术应用拓展，同时，进一步探索将3D打印技术应用到更多类型的点火装置壳体生产和发动机其他零部件产品的生产中，为发动机从设计源头减低成本提供参考和借鉴。
　　
将金属3D打印技术引入航天发动机零部件制造领域，可响应快速制造需求，对提升我国发动机设计与制造能力具有重要意义。此前，中国国产3D打印技术已经在航空领域实现了广泛应用，国产3D打印技术在国际上属于领先行列，拥有多款大小不一的金属3D打印机，在航空材料制造方面，可以实现从细微零部件到大型机体承重构件的整体打印。原材料来源使用高品质合金粉末，成分满足相关航标、国军标、ASTM、AMS等技术要求。目前，大型金属3D打印设备已经投入军事领域使用，在国产歼-15、FC-31、C-919等飞机上广泛应用。

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