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0.5公斤零件撐起400公斤重量!中國航天器3D列印邁出新高度

為了突破西方對於中國的核心技術封鎖, 中國的企業家、科學家大膽實踐、勇於創新, 不僅是造出了被西方國家壟斷的錸(lái)金屬核心部件, 還創造出了新的金屬製造方式。

2017年9月20日, 世界頂尖的金屬3D列印設備製造商德國斯棱曼公司(SLM Solutions)與一家中國公司簽下了合作協定, 與一家中國公司成立聯合應用研發中心, 將展開針對中國市場的應用研發。

金屬材料的3D列印技術門檻高, 難度大, 附加值高, 金屬3D列印的產值也占到了整個3D列印行業的80%以上。 在金屬3D列印方面, 西方國家的技術也長期領先於中國。 而如今,

金屬3D列印正在越來越多地出現在中國製造的高端裝備上, 這讓世界領先的企業, 也注意到了中國企業在這個方面取得的創新和成就。

中國航太科技集團五院的展廳, 濃縮了中國空間飛行器研製的主要成果, 這些航天器對於減少重量的要求,

可謂是嚴苛之極, 因為每增加一克的重量, 就會給發射帶來很高的成本, 並且會加大航太項目的複雜性, 甚至直接影響到整個方案的可行性。 為了減輕每一克的重量, 研究人員從材料和結構上想了任何可能的辦法。

中國航太科技集團五院總體部增材製造技術專案經理張嘯雨說:這個就是我們目前工程上最輕的材料, 叫蜂窩夾層結構, 這種結構裡面全部是蜂窩, 然後上下的面用的是碳纖維。 這種碳纖維非常昂貴, 它的一公斤差不多要比那個同等重量的黃金還要貴一些。 減輕重量是不懈的追求。 碳纖維材料, 加之蜂窩狀的結構, 這幾乎已經達到了減重的極限, 但是工程技術人員對此還是不滿意, 他們希望重量再降低一些。

可是, 如何才能實現新的突破呢?

位於北京市昌平區的一間廠房, 正在生產著鈦合金、鋁合金、不銹鋼等多種金屬的零部件。 但是與其它的冶金廠房不同, 在這裡, 記者看不到金屬鍛造的大型設備, 也看不到很多的技術工人操作, 只看見一台台3D列印的機器在忙碌地工作著。

這個金屬列印技術叫鐳射選區熔化, 使用鐳射照射預先鋪展好的金屬粉末, 使其成形固定。 經過兩天時間, 製造過程終於接近尾聲, 技術人員小心翼翼地將“印表機”中多餘的粉末掃去, 一個結構非常複雜和精巧的鈦金屬立方體顯現出來。

鑫精合鐳射科技發展有限公司副總經理孫峰說:鈦合金在我們冶金行業, 是一種非常難成形的一種材料牌號, 它的冶金工藝非常的複雜, 通過我們這次3D列印工藝, 把這麼難做的一個鈦合金, 通過我們3D列印工藝, 呈現出這樣一個輕量化的結構來。

在製造業中, 傳統製造的方式是“減材製造”, 它是利用已有的幾何模型工件, 用工具將材料逐步切削、打磨、減少,

最終成為所需要的零件。 而3D列印則恰恰相反, 它是根據一個數位三維檔, 在一個完全沒有任何材料的平面上, 一點點逐層列印、添加材料, 最終形成一個三維整體, 這就是所謂的3D列印, 也被稱為“增材製造”。

這樣一個邊長20釐米左右的立方體, 如果用傳統的金屬鑄造工藝製造, 重量至少要在5公斤以上,而這個零件的重量卻只有0.5公斤,只有以前的十分之一,大大減輕了重量,卻具備高強度。

孫峰現場給我們做了一個演示。將近100公斤的孫峰,整個人站在這個立方體上都沒有問題,孫峰告訴我們,它最大的承受力在300到400公斤,那可能是800倍到1000倍的載荷。

目前,在我國很多飛機、船舶甚至航天器的重要零部件上,都可以見到金屬3D列印的身影。無論是飛機、船舶的發動機、零部件,還是運載火箭、空間航太飛行器、無人機等航空航太設備,金屬3D列印部件正在悄悄地取代著傳統製造的零件,並給航空航太等高端製造提供了更多的可能。航天器上很多大大小小的零件,都可以用這種結構來替代原有的較為笨重的金屬。甚至一根頭髮絲,就可以吊起來一個體積不小的衛星上的小零件。

孫峰說:它的輕量化效果非常的好,整個零件它的減重達到了30%以上,它給咱們整個火箭發射這一塊,成本節約了幾百萬,甚至上千萬人民幣的一個效果。我們傳統製造業來說,製造一顆衛星它可能需要幾個月甚至幾年的時間,通過我們3D列印工藝實現整個衛星的機構,可能只需要十幾天的時間,一顆小的衛星可以打出來。

3D列印作為一項前沿性的先進製造技術,已經成為全球新一輪科技革命和產業革命的重要推動力。然而,多數的設備和工藝尚不成熟,還無法批量打出穩定、耐用、高性能的工業品來,處在“模型製造”和實驗階段。但是這種情況正在發生變化,我國的金屬3D列印正在不斷地向尖端製造靠攏。

在鑫精合的廠房裡,一個大型的鈦合金航天器零件,即將在這台由中國民營企業自主研發的大型金屬3D印表機裡誕生。與小型的精密的金屬3D印表機的技術不同,大型的印表機採取了另一種不同的技術方式——同軸送粉工藝。而中國在這項技術上已經走在了世界的先列。

目前,能用3D列印技術製造出達到鍛造水準的金屬部件的國家,只有德國、美國、中國等少數幾個。而鑫精合批量製造大型鈦金屬結構件的能力已經在國際領先。這種鐳射“列印”金屬粉末的工藝,使得金屬材料冷卻凝固速度極快,組織細小,力學性能優異,也具備了像鍛件一樣的高強度。

直徑4米的航天器部件拆分成6個2米左右的大零件,3D列印並加工後,再進行整體焊接。在過去,這樣巨大的金屬件從開模具到鍛造,再到機械加工,是個非常浩大的工程,通常需要一年時間才能完成,而用3D列印的方式,僅需要3-6個月。張嘯雨說:可能我們最快的在明年,或者是後年都會有發射的型號來去做這樣的一個嘗試。我們大概現在有60件到100件的產品已經是在完成了製造,而且已經開始裝星,已經開始做整星級的力學實驗。

重量至少要在5公斤以上,而這個零件的重量卻只有0.5公斤,只有以前的十分之一,大大減輕了重量,卻具備高強度。

孫峰現場給我們做了一個演示。將近100公斤的孫峰,整個人站在這個立方體上都沒有問題,孫峰告訴我們,它最大的承受力在300到400公斤,那可能是800倍到1000倍的載荷。

目前,在我國很多飛機、船舶甚至航天器的重要零部件上,都可以見到金屬3D列印的身影。無論是飛機、船舶的發動機、零部件,還是運載火箭、空間航太飛行器、無人機等航空航太設備,金屬3D列印部件正在悄悄地取代著傳統製造的零件,並給航空航太等高端製造提供了更多的可能。航天器上很多大大小小的零件,都可以用這種結構來替代原有的較為笨重的金屬。甚至一根頭髮絲,就可以吊起來一個體積不小的衛星上的小零件。

孫峰說:它的輕量化效果非常的好,整個零件它的減重達到了30%以上,它給咱們整個火箭發射這一塊,成本節約了幾百萬,甚至上千萬人民幣的一個效果。我們傳統製造業來說,製造一顆衛星它可能需要幾個月甚至幾年的時間,通過我們3D列印工藝實現整個衛星的機構,可能只需要十幾天的時間,一顆小的衛星可以打出來。

3D列印作為一項前沿性的先進製造技術,已經成為全球新一輪科技革命和產業革命的重要推動力。然而,多數的設備和工藝尚不成熟,還無法批量打出穩定、耐用、高性能的工業品來,處在“模型製造”和實驗階段。但是這種情況正在發生變化,我國的金屬3D列印正在不斷地向尖端製造靠攏。

在鑫精合的廠房裡,一個大型的鈦合金航天器零件,即將在這台由中國民營企業自主研發的大型金屬3D印表機裡誕生。與小型的精密的金屬3D印表機的技術不同,大型的印表機採取了另一種不同的技術方式——同軸送粉工藝。而中國在這項技術上已經走在了世界的先列。

目前,能用3D列印技術製造出達到鍛造水準的金屬部件的國家,只有德國、美國、中國等少數幾個。而鑫精合批量製造大型鈦金屬結構件的能力已經在國際領先。這種鐳射“列印”金屬粉末的工藝,使得金屬材料冷卻凝固速度極快,組織細小,力學性能優異,也具備了像鍛件一樣的高強度。

直徑4米的航天器部件拆分成6個2米左右的大零件,3D列印並加工後,再進行整體焊接。在過去,這樣巨大的金屬件從開模具到鍛造,再到機械加工,是個非常浩大的工程,通常需要一年時間才能完成,而用3D列印的方式,僅需要3-6個月。張嘯雨說:可能我們最快的在明年,或者是後年都會有發射的型號來去做這樣的一個嘗試。我們大概現在有60件到100件的產品已經是在完成了製造,而且已經開始裝星,已經開始做整星級的力學實驗。

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