火箭院｜3D打印用于我國(guó)兩型火箭大尺寸構(gòu)件直接制造

12月9日，首次實(shí)施中國(guó)運(yùn)載火箭海上熱發(fā)射的捷龍三號(hào)火箭首飛成功；12月16日，長(zhǎng)十一火箭成功發(fā)射。這兩型火箭均由火箭院抓總研制，其中多種構(gòu)件采用3D打印技術(shù)制造，更有尺寸超過(guò)一米級(jí)別的零件。

本文內(nèi)容獲火箭院官方相關(guān)部門授權(quán)發(fā)布，將介紹在這兩型火箭上3D打印技術(shù)的應(yīng)用。

捷龍三號(hào)火箭3D打印構(gòu)件：

2件衛(wèi)星支架+1件過(guò)渡段產(chǎn)品

2件衛(wèi)星支架用來(lái)放置本次任務(wù)發(fā)射的14顆衛(wèi)星，1件過(guò)渡段產(chǎn)品用來(lái)連接衛(wèi)星支架和火箭其他部件。

“捷龍”映日（來(lái)自中國(guó)火箭公司）

長(zhǎng)十一火箭3D打印構(gòu)件：

1件端框+8件支撐桿

它們是衛(wèi)星支架的組成部分，衛(wèi)星支架采用的是桿系框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即上下端框加中間超薄壁支撐桿結(jié)構(gòu)。

長(zhǎng)十一火箭（來(lái)自火箭院）

這些構(gòu)件是火箭院首都航天機(jī)械有限公司與總體設(shè)計(jì)部通力協(xié)作的成果。其中捷龍三號(hào)火箭的衛(wèi)星支架和過(guò)渡段產(chǎn)品的成形應(yīng)用的是電弧熔絲增材制造技術(shù)；長(zhǎng)十一火箭衛(wèi)星支架的端框和支撐桿的成形應(yīng)用的是電弧熔絲增材制造技術(shù)和激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)。

電弧熔絲增材制造技術(shù)從傳統(tǒng)的弧焊發(fā)展而來(lái)，用電弧熱將絲材熔化并按預(yù)定軌跡逐層堆積成金屬結(jié)構(gòu)件。

激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)主要用于中小尺寸復(fù)雜金屬構(gòu)件的一體化近凈成形，如發(fā)動(dòng)機(jī)零部件，一體化舵翼，管路閥門，點(diǎn)陣套筒等產(chǎn)品，也可用于防隔熱、抗沖擊等先進(jìn)結(jié)構(gòu)的制備。

為什么“打印”這些構(gòu)件？

首都航天機(jī)械有限公司工藝員張睿澤介紹，衛(wèi)星支架產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)多變，確定時(shí)間較晚，而傳統(tǒng)鑄造、鍛造需要模具，工序多、流程長(zhǎng)，難以滿足高密度發(fā)射的緊張周期要求；應(yīng)用3D打印技術(shù)可快速響應(yīng)，不僅極大縮短了產(chǎn)品交付周期，而且一體化程度更高，結(jié)構(gòu)減重效果明顯，能夠滿足短周期、低成本的發(fā)射需求。

以捷龍三號(hào)火箭為例，該火箭搭載14顆衛(wèi)星，數(shù)量多且狀態(tài)各異。使用電弧熔絲增材制造技術(shù)打印衛(wèi)星支架能夠充分發(fā)揮小批量、多品種產(chǎn)品柔性生產(chǎn)的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的整體制造，提高承載效率。單件產(chǎn)品毛坯成形周期僅為15天，較傳統(tǒng)制造方式周期縮短50%以上，為后續(xù)各工序環(huán)節(jié)爭(zhēng)取到了寶貴的時(shí)間。

以長(zhǎng)十一火箭為例，端框和支撐桿全套產(chǎn)品打印周期僅為12天，不僅保證了產(chǎn)品尺寸精度要求，還在滿足承載條件下將重量減至最輕。

“打印”這些構(gòu)件攻克了哪些難題

作為14顆衛(wèi)星在火箭上的“座椅”，捷龍三號(hào)衛(wèi)星支架直徑達(dá)1.4米，高度近1米，重量達(dá)120千克，整體呈大尺寸弱剛性結(jié)構(gòu)，對(duì)成形過(guò)程及后續(xù)熱處理過(guò)程的變形控制提出了更高的要求。

技術(shù)團(tuán)隊(duì)突破了“變形控制+在線測(cè)量調(diào)整”的大型殼體增材制造變形控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)毛坯產(chǎn)品尺寸偏差單邊小于2毫米。對(duì)毛坯產(chǎn)品進(jìn)行適應(yīng)性工藝設(shè)計(jì)，有效調(diào)控?zé)崽幚磉^(guò)程中的變形，實(shí)現(xiàn)了無(wú)工裝變形控制，節(jié)約了大量一次性成本。應(yīng)用了獨(dú)立研制的以“機(jī)器人+變位機(jī)”為核心的高效電弧熔絲增材制造系統(tǒng)及自主研發(fā)的電弧增材制造路徑規(guī)劃、離線編程與運(yùn)動(dòng)仿真軟件，成功解決了大型復(fù)雜殼體成形難題。

長(zhǎng)十一火箭衛(wèi)星支架的端框呈薄壁方框類結(jié)構(gòu)，幅面尺寸達(dá)到1.3米×0.8米，對(duì)成形過(guò)程中的變形控制提出了較大挑戰(zhàn)。

技術(shù)團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)成形路徑的優(yōu)化及變形量預(yù)測(cè)，結(jié)合對(duì)自研的平面協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)軟件功能升級(jí)，保障了尺寸要求。長(zhǎng)十一火箭衛(wèi)星支架的支撐桿呈大尺寸V型中空多聯(lián)通薄壁圓管結(jié)構(gòu)，采用鈦合金材料，近600毫米長(zhǎng)的支撐圓管壁厚僅為1.2毫米，變形開(kāi)裂控制風(fēng)險(xiǎn)極高。技術(shù)團(tuán)隊(duì)通過(guò)優(yōu)化工藝結(jié)構(gòu)、輔助支撐、變形補(bǔ)償?shù)确绞剑行Э刂屏俗冃危ＷC了尺寸精度要求，并在滿足承載條件下將重量減至最輕。

截至目前，火箭院首都航天機(jī)械有限公司已有12件電弧增材產(chǎn)品成功通過(guò)了飛行考核，成功率達(dá)100%。

除電弧熔絲增材制造技術(shù)和激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)外，火箭院首都航天機(jī)械有限公司在3D打印火箭部件方面，還有激光熔化沉積增材制造技術(shù)。

激光熔化沉積增材制造技術(shù)主要用于大尺寸難加工金屬毛坯的制備，如運(yùn)載火箭捆綁支座、平臺(tái)支架、舵翼骨架、異形艙體等，亦可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件的修復(fù)。

后續(xù)，火箭院首都航天機(jī)械有限公司將與總體設(shè)計(jì)部繼續(xù)通力協(xié)作，推進(jìn)3D打印在火箭設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用，為航天產(chǎn)品高質(zhì)高效制造添磚加瓦，為建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)、質(zhì)量強(qiáng)國(guó)、航天強(qiáng)國(guó)貢獻(xiàn)力量。

注：本文內(nèi)容發(fā)布已獲火箭院官方相關(guān)部門審核和授權(quán)。