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3D打印助力中国航空事业:长征5号火箭有50个3D打印零件

2020年7月,长征五号运载火箭在中国文昌航天发射场成功点火起飞,中国迈出行星探测的第一步——奔向火星!这不仅是其首款从头开始设计的运载火箭,专门针对非高液性液体火箭推进剂,而且还采用了50个3D打印机制作的零件,3D打印技术在航空航天领域再立一功。

3D打印助力中国航空事业:长征5号火箭有50个3D打印零件

其中,长征五号运载火箭上的一个重要部件——级间解锁装置保护板,正是中国航天科技集团公司中国运载火箭技术研究院航天材料及工艺研究所通过采用3D打印公司的解决方案加工而成,他们使用了激光烧结平台和高性能材料,为火箭的静态发射裙生产了50个零件。

3D打印助力中国航空事业:长征5号火箭有50个3D打印零件

3D打印即快速成型技术的一种,又称增材制造,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。近年来,3D打印已经成为航空航天领域的重要技术,可以帮助航空航天设备减轻重量、节省燃料、提高运营效率、部件整合、加速上市时间和减少对零部件的存储要求。

航天是一项高风险的行业,航天飞行器总体设计的过程就是将看似神秘的诸多技术指标细化分解成对各个系统兼具可行性和可靠性的具体设计要求,并最终通过各个具体技术细节的有机结合,完成人类翱翔太空的使命。其中航天分离技术恰恰是航天飞行器总体设计中的一项极为关键技术。

火箭在工作期间所获得的速度增量与发动机开始工作时的火箭总重m0和发动机结束工作时的总重m1相关,m0/m1的比值越大,火箭就能获得越大的速度增量。有效载荷要进入太空工作,至少要被加速到第一宇宙速度,多级火箭通过不断将完成工作的部分抛弃,火箭m0/m1的比值将不断变化,火箭得以被“接力”加速,最终达到理想的入轨速度,在这一过程中,火箭的各级间的分离过程极为重要。

长征五号运载火箭总长约57米,箭体直径达5米,不仅是我国最高、体积最大的火箭,也是运载能力最强的火箭。级间解锁装置保护板其单批次加工件数较少,加工频次较低,如采用传统注塑方式需要使用模具,模具成本高,且模具的保存成本也较高。而采用3D打印技术,则无需开模,一体成型。

3D打印助力中国航空事业:长征5号火箭有50个3D打印零件

3D打印公司提供了超大打印幅面的尼龙增材制造解决方案,1000×500×450mm的超大成型缸,可实现大型产品的一体化成型和小型产品的批量化生产。级间解锁装置保护板每个部件尺寸约为370mm*100mm*125mm,最终整个部件尺寸直径约5000mm,采用HT1001P打印近50件拼接而成,耗时仅48小时。

此外,较之原有铝合金材质,该保护板采用3D打印高分子材料,安装更为灵活便捷,表面的红色喷漆具有防水、防盐雾功能,可起到良好的防护作用。

3D打印具有较多优点,可以将原本通过多个构件组合的零件进行一体化打印,实现了零件的整体化结构,帮助设计者突破束缚实现功能最优化设计。一体化结构的实现除了带来轻量化的优势,减少组装的需求也可以帮助企业提升生产效益。此外,3D打印出的零部件更加精细,形状尺寸选择更多,设计师在进行飞行器中的复杂零部件设计时,以考虑零部件的可制造性转变为3D打印设计思维下的实现零部件功能性为主。

说到3D打印技术,其作为二十一世纪炙手可热的技术之一,目前已经渗透了包括航空航天在内的各行各业,此次3D打印技术与航天材料及工艺研究所的成功合作,既推动了增材制造技术在我国航天航空领域的深化应用,又实现了国产新型大幅面增材制造装备的应用验证,标志着我国航天增材制造迈出了坚实一步。

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