3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上的應(yīng)用詳解

1、3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上應(yīng)用曹乃亮 空間二部caonailiang十二月二十四日3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上的應(yīng)用詳解第1頁一、3D打印概況二、3D打印技術(shù)原理三、3D打印應(yīng)用四、3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件五、國際研究現(xiàn)實狀況六、國內(nèi)相關(guān)研究七、面臨問題和挑戰(zhàn)八、前瞻提 綱3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上的應(yīng)用詳解第2頁 3D打印是快速成形技術(shù)一個，它是一個以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，利用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，經(jīng)過逐層打印方式來結(jié)構(gòu)物體技術(shù)，國外稱為增材制造（Additive manufacturing）一、3D打印概況1. 3D打印概念及原理3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空

2、航天上的應(yīng)用詳解第3頁 一、3D打印概況2. 3D打印與傳統(tǒng)制造比較3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上的應(yīng)用詳解第4頁 一、3D打印概況3. 3D打印發(fā)展史3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上的應(yīng)用詳解第5頁 二、3D打印技術(shù)原理3D打印主要工藝有：立體光刻成型熔融堆積成型分層實體制造電子束熔融激光近凈成型激光選區(qū)融化3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上的應(yīng)用詳解第6頁 SLA又稱立體光刻、光成形等，是一個采取激光束逐點掃描液態(tài)光敏樹脂使之固化RP成形工藝。 二、3D打印技術(shù)原理1. 立體光刻成型（SLA）3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上的應(yīng)用詳解第7頁 FDM材料普通是熱塑性材料，以絲

3、狀供料。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔化材料擠出，材料快速凝固，并與周圍材料凝結(jié)二、3D打印技術(shù)原理2. 熔融堆積成型（FDM）3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上的應(yīng)用詳解第8頁 LOM工藝是是基于激光切割薄片材料、由黏結(jié)劑黏結(jié)各層成形 二、3D打印技術(shù)原理3. 分層實體制造（LOM）3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上的應(yīng)用詳解第9頁 EBM是采取高能電子束作為加工熱源，掃描成形能夠經(jīng)過操縱磁偏轉(zhuǎn)線圈進行，且電子束含有真空環(huán)境，還能夠防止金屬粉末在液相燒結(jié)或熔化過程中被氧化。二、3D打印技術(shù)原理4. 電子束熔融（EBM）3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天

4、上的應(yīng)用詳解第10頁 LENS原理是將金屬粉末從送粉頭噴嘴噴射到激光焦點位置完成熔化堆積過程。全部粉末路徑由保護氣體推進，保護氣體將金屬粉末與空氣隔離，從而防止金屬粉末氧化；可方便加工熔點高、難加工材料。致密度靠近100%，適合大型構(gòu)件整體制造。 二、3D打印技術(shù)原理5. 激光近凈成型（LENS）3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上的應(yīng)用詳解第11頁 SLM是在激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）基礎(chǔ)上發(fā)展起來，其發(fā)展歷程經(jīng)歷低熔點非金屬粉末燒結(jié)、低熔點包覆高熔點粉末燒結(jié)、高熔點粉末直接熔化成形等階段。致密度可到達100% ，尺寸精度達2050 m， 表面粗糙度達2030 m，是一個極具發(fā)展前景快速成形技術(shù)

5、。 二、3D打印技術(shù)原理6. 激光選區(qū)融化（SLM）3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上的應(yīng)用詳解第12頁 二、3D打印技術(shù)原理6. 激光選區(qū)融化（SLM）3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上的應(yīng)用詳解第13頁 當(dāng)前，3D打印已在工業(yè)造型、機械制造、軍事、建筑、影視、家電輕工、醫(yī)學(xué)、考古、文化藝術(shù)、雕刻、首飾等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并伴隨技術(shù)發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域不停拓展。三、3D打印應(yīng)用3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上的應(yīng)用詳解第14頁 三、3D打印應(yīng)用3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上的應(yīng)用詳解第15頁 密度小、熔點高、強度高、導(dǎo)熱系數(shù)小、耐腐蝕、耐高溫 四、3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件鈦合金特征鈦合

6、金3D打印因其密度小、強度高、熔點高、耐腐蝕、導(dǎo)熱率低、在加熱時熱量不會發(fā)散引發(fā)局部變形等優(yōu)點非常適于3D打印鈦合金航空航天應(yīng)用主要用在飛機骨架、發(fā)動機壓氣機葉片、航天器壓力容器、燃料貯箱、緊固件、結(jié)構(gòu)件、構(gòu)架和火箭殼體等3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上的應(yīng)用詳解第16頁 實現(xiàn)異形復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式，壁厚最薄可達0.3mm0.4mm；近凈成型，精度可達0.05mm；一樣比剛度下，3D打印相比傳統(tǒng)制造重量降低50%以上； 降低成本，縮短加工周期； 能將設(shè)計更改成本降到最低； 原理樣機低成本、快速制造。 四、3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件3D打印鈦合金優(yōu)點3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上的應(yīng)用詳解第17頁

7、 12月17日，美國商業(yè)企業(yè)研制全球首臺微重力3D打印機在“國際空間站”依照美國航空航天局從地面發(fā)送設(shè)計文件打印出套筒扳手五、國際研究現(xiàn)實狀況3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上的應(yīng)用詳解第18頁 美國航空航天局工程師利用3D打印技術(shù)制備了第一個3D打印Invar合金（殷鋼）輕量化結(jié)構(gòu)。五、國際研究現(xiàn)實狀況3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上的應(yīng)用詳解第19頁 航空噴氣-洛克達因企業(yè)分別于 年6月和12月對采取3D打印技術(shù)生產(chǎn)Baby Bantam火箭發(fā)動機進行了點火試驗五、國際研究現(xiàn)實狀況3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上的應(yīng)用詳解第20頁 空客防務(wù)與航天事業(yè)部采取3D打印技術(shù)制備衛(wèi)星上支

8、架，節(jié)約了20%成本。該支架用于碳纖維蜂窩板和衛(wèi)星主體，需要承受-180150環(huán)境產(chǎn)生熱應(yīng)力五、國際研究現(xiàn)實狀況3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上的應(yīng)用詳解第21頁 年1月6日發(fā)射獵鷹-9火箭上9臺灰背隼-1D發(fā)動機中一個采取了3D打印技術(shù)制備主氧化閥門。該閥門成功經(jīng)受了液氧高壓、低溫以及發(fā)射時振動五、國際研究現(xiàn)實狀況3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上的應(yīng)用詳解第22頁 ，搭載有3D打印零部件立方體衛(wèi)星KySat-2從弗吉尼亞Wallops飛行基地成功發(fā)射。其中使用選擇性激光燒結(jié)工藝制造了五個零部件安裝在了KySat-2太陽能電池板上。五、國際研究現(xiàn)實狀況3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天

9、上的應(yīng)用詳解第23頁 10月，歐洲最大衛(wèi)星制造商Thales Alenia Space企業(yè)宣告，該企業(yè)正在承建兩顆韓國通信衛(wèi)星Koreasat 5A和Koreasat 7將使用大型金屬3D打印部件，其中包含一個大型天線支撐結(jié)構(gòu)。 五、國際研究現(xiàn)實狀況3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上的應(yīng)用詳解第24頁 瑞士航天企業(yè)RUAG Space教授使用3D打印技術(shù)為一顆地球觀察衛(wèi)星打造了一個天線支架；RUAG之前曾經(jīng)為歐洲航天局（ESA）Sentinel-1A雷達衛(wèi)星供給過類似支架。五、國際研究現(xiàn)實狀況3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上的應(yīng)用詳解第25頁 ，“飛機鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”

10、獲國家技術(shù)創(chuàng)造獎一等獎。使我國成為繼美國之后、世界上第二個掌握飛機鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形及技術(shù)國家 六、國內(nèi)研究現(xiàn)實狀況國內(nèi)在3D打印金屬結(jié)構(gòu)件方面開展相關(guān)，取得了突破性進展，詳細以下：3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上的應(yīng)用詳解第26頁 9月25日，長征十一號在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，此次發(fā)射搭載了浦江一號衛(wèi)星。而浦江一號也在國內(nèi)衛(wèi)星上首次應(yīng)用了3D打印技術(shù)，其天線支架采取了3D打印鈦合金材料六、國內(nèi)研究現(xiàn)實狀況3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上的應(yīng)用詳解第27頁 北京航空航天大學(xué)，激光增材制造裝備運行車間內(nèi)，技術(shù)人員正在對巨型3D打印機進行設(shè)備檢驗六、國內(nèi)研究現(xiàn)實狀況3D打印鈦合金

11、結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上的應(yīng)用詳解第28頁 華中科技大學(xué)，研發(fā)出選擇性激光燒結(jié)成形設(shè)備，中國運載火箭技術(shù)研究院首都航天機械企業(yè)引進了一臺該設(shè)備，并與華中科技大學(xué)聯(lián)合成立了快速成形技術(shù)聯(lián)合試驗室，從事選區(qū)激光熔化技術(shù)研究。 六、國內(nèi)研究現(xiàn)實狀況3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上的應(yīng)用詳解第29頁 西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點試驗室一直從事3D打印技術(shù)研究。正在進行C919飛機上鈦合金選型試驗件生產(chǎn)，尺寸最大零件已經(jīng)到達了2.85 六、國內(nèi)研究現(xiàn)實狀況3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上的應(yīng)用詳解第30頁 上海航天設(shè)備制造總廠于成立3D打印研究中心，自主研制出選區(qū)激光熔化設(shè)備，可制備材料包含鈦合金

12、、不銹鋼等; 中國航天科技集團企業(yè)一院211廠引進首臺高精度3D打印設(shè)備調(diào)試到位，該廠將利用該設(shè)備研制某型號發(fā)動機葉輪和某型號翼軸組合體，并接收飛行試驗考評; 中國科學(xué)院金屬研究所在鈦合金3D打印技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域取得階段性結(jié)果。 六、國內(nèi)研究現(xiàn)實狀況3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上的應(yīng)用詳解第31頁 北京動力機械研究所近日利用金屬材料3D打印技術(shù)，成功試制出部分航天發(fā)動機關(guān)鍵零部件; 中國航天科技集團企業(yè)六院試驗區(qū)試車臺，某型號試車發(fā)動機經(jīng)兩次點火試車圓滿成功。此次試車發(fā)動機上起動器、發(fā)生器出口管采取了3D 打印技術(shù).六、國內(nèi)研究現(xiàn)實狀況3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上的應(yīng)用詳解第3

13、2頁 用于鈦合金等大型金屬材料3D打印大功率激光器； 3D打印過程鈦合金沉積速率依然偏低；3D打印技術(shù)對于鈦粉形狀、大小及純度要求更高； 凝固組織和內(nèi)部缺點控制；3D打印鈦合金“特種熱處理”新工藝； 怎樣處理大型結(jié)構(gòu)件開裂、變形大、疲勞強度低問題，是當(dāng)前重點突破步驟 。七、面臨問題和挑戰(zhàn)3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上的應(yīng)用詳解第33頁 航天器中經(jīng)常希望在同一個零件不一樣部位含有不一樣性能，而經(jīng)過3D打印技術(shù)能夠很方便地實現(xiàn)一個零件不一樣區(qū)域含有不一樣材料性能；空間在軌打印技術(shù)。八、前瞻3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上的應(yīng)用詳解第34頁 下列圖為GE Aviation展示3D打印技術(shù)制作鈦合金