增材制造典型應用場景二：衛星關鍵零部件整體化制造
時間：2023-01-03 20:01 來源：增材制造產業聯盟 作者：admin 閱讀：次
2022年8月，工業和信息化部發布了《首批增材制造典型應用場景名單》，經過地方推薦、專家評審、社會公示等程序，形成了首批增材制造典型應用場景，共有工業、醫療、建筑、文化等領域的36個優質應用場景入選。為加快增材制造先進技術與裝備應用推廣，中國增材制造產業聯盟設立“增材制造典型應用場景案例專欄”，從需求痛點、案例介紹、技術先進性、應用成效、下一步計劃等角度立體展示優秀成果案例。
現將第二期“衛星關鍵零部件整體化制造”發布如下。
一、背景概述
（一）需求痛點
隨著航天裝備制造業的發展，大尺寸、結構復雜的零件需求日益迫切，其行業的特殊性要求零件在更極端的條件下服役，因此對這些結構件的性能要求也比較高，主要體現在其耐用性和極限輕量化等方面。這些零件需要使用新材料以保證其耐用性，同時通過工藝保證大尺寸零件性能和極限輕量化。傳統加工工藝難以滿足加工需求，制約了衛星關鍵零部件的加工研制。
（二）解決方案
激光選區熔化增材成形技術是以原型制造技術為基本原理發展起來的一種先進的激光增材制造技術。該技術可實現難熔金屬及合金加工，滿足零件設計自由度的要求，無論是異形曲面、復雜流道結構還是薄壁復雜結構，都可以滿足制造要求；同時，在確保穩定提升性能的基礎上，節能化設計各類零部件，滿足輕量化設計要求，極大程度降低零件重量，為衛星關鍵零部件整體化制造提供了可實現的技術途徑。
二、案例介紹——衛星肼瓶支架
（一）案例描述
肼瓶是衛星推進用燃料的儲存容器，肼瓶支架作為連接肼瓶與星體的結構，負責肼瓶的安裝及推進力的傳遞等，是推進系統的關鍵承力件。發射衛星入軌運行的成本可以達到每公斤數十萬元以上，而且，衛星重量增加會對運載推進技術提出更高的要求，因此，衛星上零部件的減重有著極高的必要性。
針對承力要求及迫切的減重需求，采用了點陣+蒙皮整體輕量化結構的設計方案，并采用激光選區熔化成形進行整體增材制造成形。
肼瓶支架利用西安鉑力特公司的BLT-S600型激光選區熔化成形裝備成形制造，最大可成形尺寸為600mm×600mm×600mm，可滿足多種應用場景零件尺寸需求。同時，BLT-S600在打印過程中可以實現點陣結構、薄壁結構一體成形，減少了傳統工藝下的支撐、連接結構，大大降低了零件成形后的重量，可以實現極端輕量化，滿足航空航天等領域對零件嚴苛質量和安全保障的要求。
（二）技術水平及先進性
和傳統鍛鑄造工藝相比，產品通過點陣+蒙皮整體輕量化結構的設計方案，使用鋁合金粉末在激光選區熔化工藝下進行整體增材制造成形，使整體減重超過60%，整星結構實現結構質量占比降至15%以內；整體增材制造工藝簡單，制造周期縮短，成本降低；整體制造減少了螺接、膠接、焊縫等的數量，從而提高了零部件的可靠性；結構性能上，結構頻率提升近50%。
三、應用推廣成效
該型肼瓶支架已經經過了各項地面考核，成功入軌運行。相關成果已拓展至其他數十個衛星型號、上百種其他衛星零件的研制和生產，支撐了我國探月等重大工程的研制。
四、下一步提升及推廣
目前，通過點陣蒙皮的一體化設計和一體化增材制造，已經實現了衛星結構件的研制和應用。下一步，為追求更極致的減重需求，同時，結合功能一體化的需求，研究防隔熱、減震緩震等功能需求場景下不同點陣形式，不同結構形式等的性能和制造，擴大點陣蒙皮結構在衛星上的應用，進一步提升衛星性能指標。該類產品具有很好的應用前景，針對國家重點型號研制，尤其是型號小型化、輕量化需求更加迫切，其推廣前景廣泛。
現將第二期“衛星關鍵零部件整體化制造”發布如下。
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場景類型
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復雜結構產品整體化制造
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場景項目名稱
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衛星關鍵零部件整體化制造
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場景項目單位
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制造商
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西安鉑力特增材技術股份有限公司 |
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提供商
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西安鉑力特增材技術股份有限公司 |
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應用單位
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中國航天科技集團有限公司 |
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一、背景概述
（一）需求痛點
隨著航天裝備制造業的發展，大尺寸、結構復雜的零件需求日益迫切，其行業的特殊性要求零件在更極端的條件下服役，因此對這些結構件的性能要求也比較高，主要體現在其耐用性和極限輕量化等方面。這些零件需要使用新材料以保證其耐用性，同時通過工藝保證大尺寸零件性能和極限輕量化。傳統加工工藝難以滿足加工需求，制約了衛星關鍵零部件的加工研制。
（二）解決方案
激光選區熔化增材成形技術是以原型制造技術為基本原理發展起來的一種先進的激光增材制造技術。該技術可實現難熔金屬及合金加工，滿足零件設計自由度的要求，無論是異形曲面、復雜流道結構還是薄壁復雜結構，都可以滿足制造要求；同時，在確保穩定提升性能的基礎上，節能化設計各類零部件，滿足輕量化設計要求，極大程度降低零件重量，為衛星關鍵零部件整體化制造提供了可實現的技術途徑。
二、案例介紹——衛星肼瓶支架
（一）案例描述
肼瓶是衛星推進用燃料的儲存容器，肼瓶支架作為連接肼瓶與星體的結構，負責肼瓶的安裝及推進力的傳遞等，是推進系統的關鍵承力件。發射衛星入軌運行的成本可以達到每公斤數十萬元以上，而且，衛星重量增加會對運載推進技術提出更高的要求，因此，衛星上零部件的減重有著極高的必要性。
圖1 鉑力特激光增材制造肼瓶支架
針對承力要求及迫切的減重需求，采用了點陣+蒙皮整體輕量化結構的設計方案，并采用激光選區熔化成形進行整體增材制造成形。
圖2 點陣+蒙皮 肼瓶支架
肼瓶支架利用西安鉑力特公司的BLT-S600型激光選區熔化成形裝備成形制造，最大可成形尺寸為600mm×600mm×600mm，可滿足多種應用場景零件尺寸需求。同時，BLT-S600在打印過程中可以實現點陣結構、薄壁結構一體成形，減少了傳統工藝下的支撐、連接結構，大大降低了零件成形后的重量，可以實現極端輕量化，滿足航空航天等領域對零件嚴苛質量和安全保障的要求。
圖 3 激光選區熔化成形設備BLT-S600
（二）技術水平及先進性
和傳統鍛鑄造工藝相比，產品通過點陣+蒙皮整體輕量化結構的設計方案，使用鋁合金粉末在激光選區熔化工藝下進行整體增材制造成形，使整體減重超過60%，整星結構實現結構質量占比降至15%以內；整體增材制造工藝簡單，制造周期縮短，成本降低；整體制造減少了螺接、膠接、焊縫等的數量，從而提高了零部件的可靠性；結構性能上，結構頻率提升近50%。
三、應用推廣成效
該型肼瓶支架已經經過了各項地面考核，成功入軌運行。相關成果已拓展至其他數十個衛星型號、上百種其他衛星零件的研制和生產，支撐了我國探月等重大工程的研制。
四、下一步提升及推廣
目前，通過點陣蒙皮的一體化設計和一體化增材制造，已經實現了衛星結構件的研制和應用。下一步，為追求更極致的減重需求，同時，結合功能一體化的需求，研究防隔熱、減震緩震等功能需求場景下不同點陣形式，不同結構形式等的性能和制造，擴大點陣蒙皮結構在衛星上的應用，進一步提升衛星性能指標。該類產品具有很好的應用前景，針對國家重點型號研制，尤其是型號小型化、輕量化需求更加迫切，其推廣前景廣泛。
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