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　　一、概述

　　增材制造(3D打印)技术基于离散-堆积原理，以数字模型为基础，通过软件和数控系统直接制造出复杂结构产品，是一项数字化先进制造技术。具有明显的“短流程、低消耗、高柔性、环境友好、结构-功能一体化、设计-制造一体化”等优势，特别适合高复杂度、难加工材料产品的快速、高质量研制。随着航天领域装备对“结构高效能、质量高可靠、研制低成本”的更严苛要求，越来越多的“功能一体化、整体化、轻量化”结构将被应用，传统制造手段难以完全满足装备发展的需求。加之航天制造本身具有的多品种、小批量、快速研制的生产特点，迫切需要制造方法的革新带动航天制造的进步。根据对型号产品的梳理统计，总结出以下几类典型增材制造技术应用需求：1、型号预研阶段的方案快速响应需求针对目前航天领域预研型号数量多、研制周期紧的特点，瞄准传统制造流程在预研阶段的设计方案更迭频繁、技术状态多变、响应太慢的痛点开展应用研究，利用增材制造纯数字化、短流程制造的优势实现设计-制造高效协同、制造方案的高效迭代、设计意图的快速验证。2、型号产品创新结构设计的制造需求未来航天产品为提升服役性能及可靠性，结构形式将呈现轻量化、整体化、结构功能一体化的创新式发展趋势。针对该类制造需求，迫切需要解放设计约束，通过采用增材制造技术，解决传统方法无法经济制造或根本无法制造的难题。3、传统难加工构件的高效益制造需求型号产品金属舱段、骨架、传力/支撑结构等大型、超大型钛合金、高温合金难加工产品传统加工难度大、成本高、周期长，经常成为型号研制的短板，针对上述难加工构件的制造瓶颈，开展增材制造净成形/近净成形，减少加工量，降低加工难度，实现降本增效。

　　二、首都航天机械有限公司增材制造能力简介

　　首都航天机械有限公司(以下简称公司)针对上述需求，自2012年即开始金属增材制造技术研究与工程应用。42JULY2020目前已形成了覆盖“三类热源、五种方法、十余牌号材料”的金属增材制造体系，建成了高水平的专业化人才队伍，建立了独立的增材制造中心，拥有核心增材制造装备十四台套，技术方向涵盖激光选区熔化、激光熔化沉积、电弧熔丝增材、电子束熔丝增材等，配套设备近十台套，具备了型号小规模批量研制能力。在上述软硬件能力支撑下，开展了较深入的技术基础研究，已经具备了扎实的技术基础用于支撑型号应用。在激光选区熔化成形领域，深入研究多材料体系的超常熔凝行为特点，掌握了超常熔凝条件下的冶金缺陷产生机理，建立了基于“铺粉-熔化-凝固-铺粉”工艺全过程的数值仿真模型，实现了冶金缺陷、典型微观组织结构的较准确预测。建立了多约束条件下的应力、应变演化模型，掌握复杂产品的变形规律。基于此建立了面向工程的“成分-组织-性能-精度”协同调控方法，钛合金、高温合金等典型金属材料力学性能优于锻件水平，尺寸精度控制*高可达0.1mm。在激光熔化沉积成形领域，掌握了钛合金宏观晶粒形态与工艺参数间的关联关系，实现了晶粒形态的主动控制。探明了其微观组织变化规律，掌握了微观组织特点与性能相关性，通过主动调控使力学性能优于锻件标准，强度波动范围不超过3%。掌握了米级构件应力分布与变形规律，建立了应力与变形演化模型，实现了成形过程变形预测。在电弧熔丝沉积成形领域，研究并首次提出了基于焊丝成分控制、熔滴过渡模式、成形工艺参数及热处理制度等匹配协调控制的工艺控制原则，实现增材制造产品内部质量和力学性能的有效控制。突破了基于零件几何特征的电弧增材路径规划方法，实现大尺寸“悬空曲面”、“舱体内网格”、“异形截面”等结构的路径自主优化设计，并形成相关前处理软件。目前，公司已累计申请增材制造领域发明/国防专利四十余项，建立了较完善的标准体系，累计编制各级技术标准近二十项。

　　三、增材制造技术在航天产品上的推广应用

　　目前公司已累计完成近二十个型号，百余图号，两千余件产品的研制与交付，先后实现了9个型号产品的地面考核试验，3个型号产品通过飞行考核，1个型号产品进入定型批产状态。在满足型号“宽约束”的设计制造一体化、重大关键产品快速研制的需求，以及提升核心制造能力方面发挥了较好的作用。

　　(一)在型号方案快速响应方面的应用

　　增材制造技术以其短流程、高柔性、近净成形的技术优点，可有效满足以新一代大推力、可重复使用和高效低成本运载火箭为代表的预研型号在研制期间频繁进行设计验证和迭代的需求。公司充分发挥其技术方向全面、材料体系丰富、技术基础扎实、设备能力强等优势，实现了运载火箭发动机叶轮、集合环、液氧顶盖、出口集合器法兰、保护罩，箭体结构安溢活门、管路支架、配重支架、推力室套筒以及舱外航天服头盔、面罩、风管等几十型产品的快速研制。其中，新一代运载火箭、液体发动机和其他航天装备均处于预研阶段，大量产品设计方案需进行多次更改和验证，采用传统制造工艺难以满足型号研制进度需求。针对这一问题，公司利用增材制造设计制造一体化信息平台,几天内完成了设计方案的验证和迭代，单件产品全流程生产周期仅1周左右。某型号长征系列运载火箭是航天一院*新研制的低成本、快速机动的固体运载火箭，根据其搭载的载荷不同，卫星支架和配重支架的设计方案需频繁更改，对产品研制周期提出了较高的要求。公司结合产品特点，分别采用电弧熔丝增材制造技术和激光选区熔化增材制造技术实现了2类配重支架的快速研制，全流程生产周期仅10天，有效满足了运载火箭快速响应的要求，*终产品已搭载运载火箭完成了飞行试验考核，这也是国内航天领域**通过飞行试验的电弧熔丝增材制造铝合金产品。目前，新型航天装备需求迫切，军民融合逐渐深入，民用航天发展迅速，航天领域预研背景和型号数量逐渐增多，型号产品的快速设计迭代已成为影响型号发展的重要一环，增材制造技术与信息化和数字化技术的结合已成为其中一项重要手段，具有广泛的应用前景。

　　(二)在创新结构产品研制方面的应用

　　为满足日益复杂的服役坏境和对可靠性的更高要求，航天装备产品结构形式呈现轻量化、整体化、结构功能一体化的创新式发展趋势，而传统制造工艺无法满足该类产品的制造需求，故可通过采用增材制造技术，实现复杂产品的整体化制造，从而释放设计约束。公司结合增材制造技术特点，通过增材制造设计制造一体化信息平台，与设计部门多次对接，反复迭代优化设计，完成了新一代液体火箭发动机五位一体排气锥、一体化喷注器、一体化二底、一体化筛孔涡流器及其他型号轻量化点阵夹芯套筒、点阵夹芯板折叠舵、整体化推力室和整体化舱段等产品的设计制造。其中，采用激光选区熔化增材制造技术研制的轻量化点阵夹芯套筒和折叠舵在满足其性能和隔热等要求的前提下，可实现减重30%以上，攻克了传统方法无法制造的难题;采用电弧熔丝增材制造的支架结构，在满足性能要求的前提下，可实现减重20%以上。另外，采用增材制造技术一体化制造的排气锥、二底、筛孔涡流器和推力室等产品，将零件数量由几个甚至几十个减少至一个，大幅缩短生产工序和周期，同时在一定程度上提高了系统可靠性。增材制造技术的发展，解决了点阵结构、内流道结构、空间曲面结构等复杂产品的制造难题，解放了设计约束，使得设计人员可以基于增材制造工艺，采用商业数字化软件和二次开发相结合的方法，对产品进行优化设计，从而实现航天产品性能的全面提升，促进航天装备快速发展。

　　(三)在难加工产品高效益制造方面的应用

　　航天大型钛合金骨架、支座、高温合金壳体等结构通常采用锻造+机械加工的生产方式，其加工难度大、生产周期长、材料利用率低、生产成本高，通常成为型号研制的短板。而增材制造技术具有近净成形的技术优势，可实现大尺寸钛合金和高温合金等难加工金属材料的高效制造，从而减少加工难度，加快研制进程。公司前期通过开展激光熔化沉积增材制造和电弧熔丝增材制造技术研究，完成了新一代长征系列运载火箭捆绑支座、尾翼接头、氦储罐等大型钛合金产品的研制，内部质量和力学性能均达到锻件水平，其中，上下捆绑支座实现等强度减重40%以上;尾翼接头实现生产周期缩短50%;氦储罐是航天领域内**通过液压试验考核的电弧增材一米级钛合金压力容器产品;而芯级捆绑支座是航天领域迄今为止集中力承载环境*恶劣的3D打印产品，公司掌握了其全流程制造关键技术，产品先后通过了300吨级和400吨级的地面考核，并搭载运载火箭顺利通过飞行考核验证。增材制造近净成形的技术特点使其在大尺寸复杂难加工金属构件研制方面具有巨大优势，其材料利用率远高于锻造+机加，从而可有效降低成本，缩短周期，目前正在航空航天大尺寸复杂产品制造领域推广应用。

　　三、未来增材制造发展设想

　　增材制造技术由于天然具有的鲜明数字化、信息化特点，使其成为*具潜力实现智能制造的方法之一。但目前增材制造技术在工程应用过程中仍存在一些技术局限性，制约了该技术方向完全智能化和信息化的实现，相关问题有待今后一段时期持续进行深入研究。主要体现在：现有增材制造环节智能化水平不足;设计制造一体化不充分，信息共享程度不高;制造过程信息流的数据应用不充分;理论模型研究欠缺，设计制造**性不足。针对上述问题，建议未来发展重点开展以下方面研究：1、重点开展高度智能化的航天特种装备自主研发，结合已有信息化技术开展智能化分布式产线的开发与试用;2、进一步强化设计制造一体化，打通设计制造间的数据交互瓶颈环节，搭建高度一体化创新研发平台;3、重视制造环节的信息流数据收集与应用，推进过程大数据分析等在产品研制过程中的应用，通过过程数据预判产品质量，并基于此实现参数闭环反馈控制;4、开展面向增材制造的设计、制造、实验考核等各环节的基础理论研究，建立相关专用数值模型与数据库，提升设计、制造**性。

　　作者：罗志伟 陈靖 王福德 赵衍华 朱瑞灿 陈金存 倪江涛 严振宇 单位：首都航天机械有限公司

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