招标 | 招聘 | 发布会 | 品牌活动

铝合金激光选区熔化成形技术应用情况

发布时间:2022-7-1 11:55 来源:柯林达(上海航天精密机械研究所) 观看:

2015年4月,Thales Alenia Space公司首次利用3D打印技术制造了铝天线支架并成功用于TurkMenAlem MonacoSat卫星上,此后发射的每一颗卫星都有一个类似的3D打印天线支架或反射器配件。2017年Koreasat-5A和 Koreasat-7卫星发射成功,其双天线支架成为迄今为止,采用激光选区熔化成形技术制造并送入太空轨道的最大体积零件。其尺寸为 447 mm x 204.5 mm x 391 mm,重量却只有 1.13 kg。与传统结构相比,采用仿生设计,增材制造可将此前9个零件减少为1个零件,结构重量减轻了22%,且生产效率极大提高的同时,成本还下降了30%。

图1:Koreasat-5A 和 Koreasat-7 的双天线支架

2015年,在Innovate UK和英国航天局的国家空间技术计划支持下,空客防务和航天公司生产了第一个3D打印铝合金轻量化支架,用于Eurostar E3000通用卫星上安装遥测和遥控天线。该支架取代了四个独立部件,其中包括44颗铆钉,重量比以前的托架少了35%,已经成功通过了飞行资格测试。空客防务和航天公司还计划使用3D打印工艺制造其它的部件,比如波导、换热器、推进器组件,二级结构和油箱等。

图2:E3000的遥测天线支架

图3:某复杂内结构换热器

2018年5月21日,一颗连通地月的中继卫星“鹊桥”发射成功,随后于6月14日进入使命轨道,为“嫦娥四号”月球背面着陆勘察提前架好了信息之桥。嫦娥四号中继星上面有由中国航天科技集团五院529厂采用3D打印技术研制的多个复杂形状铝合金结构件。这些3D打印产品全部采用拓扑优化构型,通过与轻量化设计技术的结合,零件重量大幅降低,承载比大幅提升。

2018年12月初,美国宇航局(NASA)与9家公司合作设计和建造月球着陆器,NASA和Autodesk公司以及喷气推进实验室的工程师们设计出了一种全新的星际着陆器,未来预计将对木卫二和土卫二等遥远的卫星进行探索。这款着陆器的重量与喷气推进实验室的其它着陆器设计相比降低了35%。它的重量大约为176磅(79.8千克),远低于NASA最新的洞察力号火星着陆器约770磅(约349公斤)的重量。

图4:SLM成形铝合金星际着陆器

2019年2月22日,SpaceX发射今年第二枚Falcon9火箭,将以色列SpaceIL的Beresheet登月器送入地球同步转移轨道。该登月器采用了瑞典RUAG Space公司研制的3D打印铝结构支架。该支架基于3D打印技术进行了拓扑轻量化设计,这将是世界首个在月球着陆的大型3D打印组件。此外,RUAG Space公司与德国的EOS合作,为卫星设备生产可靠的零件,包括微波电子,天线,分离系统,以及其他各种零件。

图5:RUAG Space的3D打印支架固定着月球着陆器的引擎

2019年10月,SENER与CATEC共同开发了PROBA-3天线系统中的3D打印铝合金螺旋式天线,该天线已经交付,并通过了严格的验证和资格测试,并获得了ESA PROBA-3卫星任务的飞行认可。欧洲航天局(ESA)计划于2020年发射PROBA-3卫星。

图6:激光选区熔化成形铝合金螺旋式天线

2019年8月17日,航天科技五院研制的“千乘一号01星” 卫星搭载捷龙一号遥一火箭成功送入预定轨道并运行稳定。千乘一号整星结构采用面向增材制造的轻量化三维点阵结构设计方法进行设计,整星结构通过铝合金激光选区熔化成形技术一体化制备。传统微小卫星结构重量占比为20%左右,整星频率一般为70Hz左右。千乘一号微小卫星的整星结构重量占比降低至15%以内,整星频率提高至110Hz,整星结构零部件数量缩减为5件,设计及制备周期缩短至1个月。整星结构尺寸超过500mm×500mm×500mm包络尺寸,也是目前国际最大的增材制造一体成形卫星结构。

图7:整星结构示意

图8:点阵结构示意

2019年10月,美国休斯研究实验室(HRL)与3D打印设计和工程软件公司nTopology合作,为航空航天用户开发了一项经过专门设计的机油冷却器,既满足了关键的爆破压力要求,同时能以更薄的壁厚实现更好的换热效果,新设计内抽芯结构比传统管壳结构表面积大146%,冷却结构能够将传热率提高300%。

图9:3D打印铝合金回旋结构热交换器

上海航天精密机械研究所自2016年开始研究铝合金激光选区熔化成形技术以及工程应用探索,在突破了AlSi10Mg铝合金激光选区熔化成形工艺,获得了良好的内部质量和力学性能的基础上,2018年已将该技术成功应用于XX-20导弹的电缆罩和插头盒子的研制,如图1所示。这类产品已经实现了型号批产配套。与此同时,开展了基于增材制造的结构优化设计技术研究。

(a)XX-20导弹电缆罩        (b) XX-20导弹电缆插头盒子 

图10:上海航天精密机械研究所SLM成形铝合金空间异形结构零件

2018年,通过拓扑轻量化结构设计技术研究,研制了XX-3飞行器拓扑轻量化支架,尺寸为200 mm×180 mm×110 mm,支架原重量1.15kg,优化后0.79kg,实现了减重约31%。该产品已通过了结构强度和振动试验考核,具备了型号应用条件。2018年,为六院801所优化设计并研制了微纳卫星整体化贮箱,尺寸为200 mm×180 mm×110 mm,且内部有24片薄板,厚度为0.3 mm,高180mm。产品已通过了产品气密、强度试验考核,漏率≤1.5×10-8 Pa•m3/s(要求≤1.0×10-7 Pa•m3/s)、爆破强度≥8.3 MPa(要求≥2.4 MPa )均满足使用要求。

 (a)XX-3飞行器拓扑结构支架     (a)微纳卫星一体化贮箱

图11:上海航天精密机械研究所SLM成形铝合金轻量化结构和整体化结构产品

2017年,未802所设计研制了某导弹导引头散热冷板,内部流道截面为1mm×1mm,通过了结构强度和流阻试验考核。2019年,为509所研制了储能换热器结构件,其包络尺寸(不含进出口管)为208 mm×198 mm×72 mm。内部为均布矩形细长流道结构用于散热,矩形截面边长为2mm,壁厚0.5mm,矩形孔为1mm×1mm。该产品颠覆了同类产品的设计制造思想和方法,大大减少了加工工序和检测工作,缩短了产品研制周期,产品已通过结构强度和气密试验考核。

      

(a) 某导弹散热冷板        (b) 某卫星相变换热器及相变热沉产品

图12:上海航天精密机械研究所SLM成形铝合金内部复杂流道整体化结构产品

综上所述,国内外铝合金SLM成形技术在航天的应用主要是利用了铝合金材料轻质高强特性,以及良好导电、导热性能,结合SLM成形技术在复杂结构制造能力和基于增材制造轻量化、整体化设计,开展轻量化支架类、点阵夹层结构、复杂内结构冷却装置和散热器、空间异形结构天线等产品开发和研制。

相关内容推荐

电话
+86 15026691627
微信
抖音号
人脉库
返回
顶部