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(shí)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(gè)，它是一個(gè)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(shí)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(gè)采取激光束逐點(diǎn)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(yùn)動(dòng)，同時(shí)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(shí)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(jìn)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(diǎn)位置完成熔化堆積過程。全部粉末路徑由保護(hù)氣體推進(jìn)，保護(hù)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(diǎn)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(diǎn)非金屬粉末燒結(jié)、低熔點(diǎn)包覆高熔點(diǎn)粉末燒結(jié)、高熔點(diǎn)粉末直接熔化成形等階段。致密度可到達(dá)100% ，尺寸精度達(dá)2050 m， 表面粗糙度達(dá)2030 m，是一個(gè)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(jī)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(diǎn)高、強(qiáng)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(qiáng)度高、熔點(diǎn)高、耐腐蝕、導(dǎo)熱率低、在加熱時(shí)熱量不會(huì)發(fā)散引發(fā)局部變形等優(yōu)點(diǎn)非常適于3D打印鈦合金航空航天應(yīng)用主要用在飛機(jī)骨架、發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)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(shí)現(xiàn)異形復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式，壁厚最薄可達(dá)0.3mm0.4mm；近凈成型，精度可達(dá)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(jì)更改成本降到最低； 原理樣機(jī)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(diǎn)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(tái)微重力3D打印機(jī)在“國際空間站”依照美國航空航天局從地面發(fā)送設(shè)計(jì)文件打印出套筒扳手五、國際研究現(xiàn)實(shí)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(gè)3D打印Invar合金（殷鋼）輕量化結(jié)構(gòu)。五、國際研究現(xiàn)實(shí)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(dá)因企業(yè)分別于 年6月和12月對(duì)采取3D打印技術(shù)生產(chǎn)Baby Bantam火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了點(diǎn)火試驗(yàn)五、國際研究現(xiàn)實(shí)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(shí)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(tái)灰背隼-1D發(fā)動(dòng)機(jī)中一個(gè)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(shí)振動(dòng)五、國際研究現(xiàn)實(shí)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(gè)零部件安裝在了KySat-2太陽能電池板上。五、國際研究現(xiàn)實(shí)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(gè)大型天線支撐結(jié)構(gòu)。 五、國際研究現(xiàn)實(shí)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(gè)天線支架；RUAG之前曾經(jīng)為歐洲航天局（ESA）Sentinel-1A雷達(dá)衛(wèi)星供給過類似支架。五、國際研究現(xiàn)實(shí)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(jī)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(jiǎng)一等獎(jiǎng)。使我國成為繼美國之后、世界上第二個(gè)掌握飛機(jī)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(shí)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(jìn)展，詳細(xì)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(zhǎng)征十一號(hào)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(hào)衛(wèi)星。而浦江一號(hào)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(shí)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(yùn)行車間內(nèi)，技術(shù)人員正在對(duì)巨型3D打印機(jī)進(jìn)行設(shè)備檢驗(yàn)六、國內(nèi)研究現(xiàn)實(shí)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(yùn)載火箭技術(shù)研究院首都航天機(jī)械企業(yè)引進(jìn)了一臺(tái)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(yàn)室，從事選區(qū)激光熔化技術(shù)研究。 六、國內(nèi)研究現(xiàn)實(shí)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(diǎn)試驗(yàn)室一直從事3D打印技術(shù)研究。正在進(jìn)行C919飛機(jī)上鈦合金選型試驗(yàn)件生產(chǎn)，尺寸最大零件已經(jīng)到達(dá)了2.85 六、國內(nèi)研究現(xiàn)實(shí)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(tuán)企業(yè)一院211廠引進(jìn)首臺(tái)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(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪和某型號(hào)翼軸組合體，并接收飛行試驗(yàn)考評(píng); 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(shí)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(dòng)力機(jī)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(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件; 中國航天科技集團(tuán)企業(yè)六院試驗(yàn)區(qū)試車臺(tái)，某型號(hào)試車發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)兩次點(diǎn)火試車圓滿成功。此次試車發(fā)動(dòng)機(jī)上起動(dòng)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(shí)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(duì)于鈦粉形狀、大小及純度要求更高； 凝固組織和內(nèi)部缺點(diǎn)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(qiáng)度低問題，是當(dāng)前重點(diǎn)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(gè)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(shí)現(xiàn)一個(gè)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