3D打印钛合金结构件及其在航空航天上的应用解析
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技术生产的Baby Bantam火箭发动机进行了点火试验
五、国际研究现状
空客防务与航天事业部采用3D打印技术制备的卫星上的支架，节
省了20%的成本。该支架用于碳纤维蜂窝板和卫星主体，需要承 受-180℃～150℃环境产生的热应力
五、国际研究现状
2014 年1月6日发射的猎鹰-9火箭上的9台灰背隼-1D发动机中的
次发射搭载了浦江一号卫星。而浦江一号也在国内卫星上首次应 用了3D打印技术，其天线支架采用了3D打印钛合金材料
六、国内研究现状
北京航空航天大学，激光增材制造装备运行车间内，技术人员正
在对巨型3D打印机进行设备检查
六、国内研究现状
华中科技大学，研发出的选择性
激光烧结成形设备，中国运载火 箭技术研究院首都航天机械公司 引进了一台该设备，并与华中科 技大学联合成立了快速成形技术 联合实验室，从事选区激光熔化 技术的研究。
3D打印钛合金结构件及其在航 空航天上的应用
曹乃亮 空间二部 caonailiang@hotmail.com 二〇一五年十二月二十四日
提
一、3D打印概况 二、3D打印的技术原理
纲
六、国内相关研究 七、面临的问题和挑战 八、前瞻
三、3D打印的应用
四、3D打印钛合金结构件
五、国际研究现状
一、3D打印概况
2015年10月，欧洲最大的卫星制造商Thales Alenia Space公司
宣布，该公司正在承建的两颗韩国通信卫星Koreasat 5A和 Koreasat 7将使用大型的金属3D打印部件，其中包括一个大型 天线支撑结构。
五、国际研究现状
瑞士航天公司RUA来自百度文库 Space的专
家使用3D打印技术为一颗地球 观测卫星打造了一个天线的支架； RUAG之前曾经为欧洲航天局 （ESA）的Sentinel-1A雷达卫 星供应过类似的支架。
六、国内研究现状
北京动力机械研究所近日运用金属材料的3D打印技术，成功试
制出部分航天发动机关键零部件; 中国航天科技集团公司六院试验区试车台，某型号试车发动机 经两次点火试车圆满成功。此次试车发动机上的起动器、发生器 出口管采用了3D 打印技术.
七、面临的问题和挑战
用于钛合金等大型金属材料3D打印的大功率激光器；
二、3D打印的技术原理
3D打印的主要工艺有： • 立体光刻成型 • 熔融堆积成型 • 分层实体制造 • 电子束熔融 • 激光近净成型 • 激光选区融化
二、3D打印的技术原理
1. 立体光刻成型（SLA）
SLA又称立体光刻、光成 形等，是一种采用激光束
逐点扫描液态光敏树脂使
之固化的RP成形工艺。
二、3D打印的技术原理
达20～50 μ m， 表面粗糙度达20～30 μ m，是一种极具发展前
景的快速成形技术。
二、3D打印的技术原理
6. 激光选区融化（SLM）
三、3D打印应用
目前，3D打印已在工业造型、机械制造、军事、建筑、影视、家 电轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域得到广泛应 用，并随着技术的发展，其应用领域不断拓展。
4. 电子束熔融（EBM）
EBM是采用高能电子束作为加工热源，扫描成形可以通过操纵 磁偏转线圈进行，且电子束具有的真空环境，还可以避免金属
粉末在液相烧结或熔化过程中被氧化。
二、3D打印的技术原理
5. 激光近净成型（LENS）
LENS原理是将金属粉末从送粉头的喷嘴喷射到激光焦点的位置 完成熔化堆积过程。全部粉末路径由保护气体推动，保护气体将
四、3D打印钛合金结构件
3D打印钛合金的优点
实现异形复杂结构形式，壁厚最薄可达0.3mm~0.4mm；
近净成型，精度可达0.05mm；
同样比刚度下，3D打印相比传统制造的重量降低50%以上；
降低成本，缩短加工周期； 能将设计更改的成本降到最低； 原理样机的低成本、快速制造。
五、国际研究现状
六、国内研究现状
国内在3D打印金属结构件方面开展的相关，取得了突破 性的进展，具体如下：
2013年，“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”获国家 技术发明奖一等奖。使我国成为继美国之后、世界上第二个掌握 飞机钛合金结构件激光快速成形及技术的国家
六、国内研究现状
2015年9月25日，长征十一号在酒泉卫星发射中心成功发射，此
金属粉末与空气隔离，从而避免金属粉末氧化；可方便加工熔点
高、难加工的材料。致密度接近100%，适合大型构件整体制造。
二、3D打印的技术原理
6. 激光选区融化（SLM）
SLM是在激光选区烧结（SLS）的基础上发展起来的，其发展历 程经历低熔点非金属粉末烧结、低熔点包覆高熔点粉末烧结、高
熔点粉末直接熔化成形等阶段。致密度可达到100% ，尺寸精度
六、国内研究现状
西北工业大学的凝固技术国家重点实验室一直从事3D打印技术的
研究。正在进行C919飞机上的钛合金选型试验件生产，尺寸最大 的零件已经达到了2.85ｍ
六、国内研究现状
上海航天设备制造总厂于2013年成立3D打印研究中心，自主
研制出选区激光熔化设备，可制备的材料包括钛合金、不锈钢等; 中国航天科技集团公司一院211厂引进的首台高精度3D打印设 备调试到位，该厂将运用该设备研制某型号发动机叶轮和某型号 翼轴组合体，并接受飞行试验考核; 中国科学院金属研究所在钛合金3D打印技术应用于医疗领域取 得阶段性成果。
1. 3D打印的概念及原理
3D打印是快速成形技术的一种，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，国外称为增材制造（Additive manufacturing）
一、3D打印概况
2. 3D打印与传统制造的比较
一、3D打印概况
3. 3D打印的发展史
三、3D打印应用
四、3D打印钛合金结构件
钛合金特性
密度小、熔点高、强度高、导热系数小、耐腐蚀、耐高温
钛合金的航空航天应用
主要用在飞机骨架、发动机压气机叶片、航天器的压力容器、燃
料贮箱、紧固件、结构件、构架和火箭壳体等
钛合金的3D打印
因其密度小、强度高、熔点高、耐腐蚀、导热率低、在加热时热
量不会发散引起局部变形等优点非常适于3D打印
2. 熔融堆积成型（FDM）
FDM的材料一般是热塑性材料，以丝 状供料。材料在喷头内被加热熔化，
喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，
同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝
固，并与周围的材料凝结
二、3D打印的技术原理
3. 分层实体制造（LOM）
LOM工艺是是基于激光切割 薄片材料、由黏结剂黏结各层
成形
二、3D打印的技术原理
一个采用了3D打印技术制备的主氧化阀门。该阀门成功经受了液 氧的高压、低温以及发射时的振动
五、国际研究现状
2013年，搭载有3D打印零部件的立方体卫星KySat-2从弗吉尼亚
的Wallops飞行基地成功发射。其中使用选择性激光烧结工艺制 造了五个零部件安装在了KySat-2的太阳能电池板上。
五、国际研究现状
而通过3D打印技术可以很方便地实现一个零件的不同区域具有不 同的材料性能； 空间在轨打印技术。
图片展示
下图为GE Aviation展示的3D打印技术制作的钛合金零件
图片展示
下图利用3D打印技术制造的A380起落架上的齿轮
图片展示
下图所示，为国内某机构制造的大型飞机框架
图片展示
3D打印过程的钛合金沉积速率仍然偏低； 3D打印技术对于钛粉的形状、大小及纯度要求更高； 凝固组织和内部缺陷的控制； 3D打印钛合金“特种热处理”新工艺； 如何解决大型结构件开裂、变形大、疲劳强度低的问题，是当 前的重点突破环节 。
八、前瞻
航天器中经常希望在同一个零件的不同部位具有不同的性能，
2014年12月17日，美国商业公司研制的全球首台微重力3D打印
机在“国际空间站”依照美国航空航天局从地面发送的设计文件 打印出套筒扳手
五、国际研究现状
美国航空航天局的工程师利用3D打印技术制备了第一个3D打印
的Invar合金（殷钢）轻量化结构。
五、国际研究现状
航空喷气-洛克达因公司分别于2014 年6月和12月对采用3D打印
五、国际研究现状
空客防务与航天事业部采用3D打印技术制备的卫星上的支架，节
省了20%的成本。该支架用于碳纤维蜂窝板和卫星主体，需要承 受-180℃～150℃环境产生的热应力
五、国际研究现状
2014 年1月6日发射的猎鹰-9火箭上的9台灰背隼-1D发动机中的
次发射搭载了浦江一号卫星。而浦江一号也在国内卫星上首次应 用了3D打印技术，其天线支架采用了3D打印钛合金材料
六、国内研究现状
北京航空航天大学，激光增材制造装备运行车间内，技术人员正
在对巨型3D打印机进行设备检查
六、国内研究现状
华中科技大学，研发出的选择性
激光烧结成形设备，中国运载火 箭技术研究院首都航天机械公司 引进了一台该设备，并与华中科 技大学联合成立了快速成形技术 联合实验室，从事选区激光熔化 技术的研究。
3D打印钛合金结构件及其在航 空航天上的应用
曹乃亮 空间二部 caonailiang@hotmail.com 二〇一五年十二月二十四日
提
一、3D打印概况 二、3D打印的技术原理
纲
六、国内相关研究 七、面临的问题和挑战 八、前瞻
三、3D打印的应用
四、3D打印钛合金结构件
五、国际研究现状
一、3D打印概况
2015年10月，欧洲最大的卫星制造商Thales Alenia Space公司
宣布，该公司正在承建的两颗韩国通信卫星Koreasat 5A和 Koreasat 7将使用大型的金属3D打印部件，其中包括一个大型 天线支撑结构。
五、国际研究现状
瑞士航天公司RUA来自百度文库 Space的专
家使用3D打印技术为一颗地球 观测卫星打造了一个天线的支架； RUAG之前曾经为欧洲航天局 （ESA）的Sentinel-1A雷达卫 星供应过类似的支架。
六、国内研究现状
北京动力机械研究所近日运用金属材料的3D打印技术，成功试
制出部分航天发动机关键零部件; 中国航天科技集团公司六院试验区试车台，某型号试车发动机 经两次点火试车圆满成功。此次试车发动机上的起动器、发生器 出口管采用了3D 打印技术.
七、面临的问题和挑战
用于钛合金等大型金属材料3D打印的大功率激光器；
二、3D打印的技术原理
3D打印的主要工艺有： • 立体光刻成型 • 熔融堆积成型 • 分层实体制造 • 电子束熔融 • 激光近净成型 • 激光选区融化
二、3D打印的技术原理
1. 立体光刻成型（SLA）
SLA又称立体光刻、光成 形等，是一种采用激光束
逐点扫描液态光敏树脂使
之固化的RP成形工艺。
二、3D打印的技术原理
达20～50 μ m， 表面粗糙度达20～30 μ m，是一种极具发展前
景的快速成形技术。
二、3D打印的技术原理
6. 激光选区融化（SLM）
三、3D打印应用
目前，3D打印已在工业造型、机械制造、军事、建筑、影视、家 电轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域得到广泛应 用，并随着技术的发展，其应用领域不断拓展。
4. 电子束熔融（EBM）
EBM是采用高能电子束作为加工热源，扫描成形可以通过操纵 磁偏转线圈进行，且电子束具有的真空环境，还可以避免金属
粉末在液相烧结或熔化过程中被氧化。
二、3D打印的技术原理
5. 激光近净成型（LENS）
LENS原理是将金属粉末从送粉头的喷嘴喷射到激光焦点的位置 完成熔化堆积过程。全部粉末路径由保护气体推动，保护气体将
四、3D打印钛合金结构件
3D打印钛合金的优点
实现异形复杂结构形式，壁厚最薄可达0.3mm~0.4mm；
近净成型，精度可达0.05mm；
同样比刚度下，3D打印相比传统制造的重量降低50%以上；
降低成本，缩短加工周期； 能将设计更改的成本降到最低； 原理样机的低成本、快速制造。
五、国际研究现状
六、国内研究现状
国内在3D打印金属结构件方面开展的相关，取得了突破 性的进展，具体如下：
2013年，“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”获国家 技术发明奖一等奖。使我国成为继美国之后、世界上第二个掌握 飞机钛合金结构件激光快速成形及技术的国家
六、国内研究现状
2015年9月25日，长征十一号在酒泉卫星发射中心成功发射，此
金属粉末与空气隔离，从而避免金属粉末氧化；可方便加工熔点
高、难加工的材料。致密度接近100%，适合大型构件整体制造。
二、3D打印的技术原理
6. 激光选区融化（SLM）
SLM是在激光选区烧结（SLS）的基础上发展起来的，其发展历 程经历低熔点非金属粉末烧结、低熔点包覆高熔点粉末烧结、高
熔点粉末直接熔化成形等阶段。致密度可达到100% ，尺寸精度
六、国内研究现状
西北工业大学的凝固技术国家重点实验室一直从事3D打印技术的
研究。正在进行C919飞机上的钛合金选型试验件生产，尺寸最大 的零件已经达到了2.85ｍ
六、国内研究现状
上海航天设备制造总厂于2013年成立3D打印研究中心，自主
研制出选区激光熔化设备，可制备的材料包括钛合金、不锈钢等; 中国航天科技集团公司一院211厂引进的首台高精度3D打印设 备调试到位，该厂将运用该设备研制某型号发动机叶轮和某型号 翼轴组合体，并接受飞行试验考核; 中国科学院金属研究所在钛合金3D打印技术应用于医疗领域取 得阶段性成果。
1. 3D打印的概念及原理
3D打印是快速成形技术的一种，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，国外称为增材制造（Additive manufacturing）
一、3D打印概况
2. 3D打印与传统制造的比较
一、3D打印概况
3. 3D打印的发展史
三、3D打印应用
四、3D打印钛合金结构件
钛合金特性
密度小、熔点高、强度高、导热系数小、耐腐蚀、耐高温
钛合金的航空航天应用
主要用在飞机骨架、发动机压气机叶片、航天器的压力容器、燃
料贮箱、紧固件、结构件、构架和火箭壳体等
钛合金的3D打印
因其密度小、强度高、熔点高、耐腐蚀、导热率低、在加热时热
量不会发散引起局部变形等优点非常适于3D打印
2. 熔融堆积成型（FDM）
FDM的材料一般是热塑性材料，以丝 状供料。材料在喷头内被加热熔化，
喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，
同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝
固，并与周围的材料凝结
二、3D打印的技术原理
3. 分层实体制造（LOM）
LOM工艺是是基于激光切割 薄片材料、由黏结剂黏结各层
成形
二、3D打印的技术原理
一个采用了3D打印技术制备的主氧化阀门。该阀门成功经受了液 氧的高压、低温以及发射时的振动
五、国际研究现状
2013年，搭载有3D打印零部件的立方体卫星KySat-2从弗吉尼亚
的Wallops飞行基地成功发射。其中使用选择性激光烧结工艺制 造了五个零部件安装在了KySat-2的太阳能电池板上。
五、国际研究现状
而通过3D打印技术可以很方便地实现一个零件的不同区域具有不 同的材料性能； 空间在轨打印技术。
图片展示
下图为GE Aviation展示的3D打印技术制作的钛合金零件
图片展示
下图利用3D打印技术制造的A380起落架上的齿轮
图片展示
下图所示，为国内某机构制造的大型飞机框架
图片展示
3D打印过程的钛合金沉积速率仍然偏低； 3D打印技术对于钛粉的形状、大小及纯度要求更高； 凝固组织和内部缺陷的控制； 3D打印钛合金“特种热处理”新工艺； 如何解决大型结构件开裂、变形大、疲劳强度低的问题，是当 前的重点突破环节 。
八、前瞻
航天器中经常希望在同一个零件的不同部位具有不同的性能，
2014年12月17日，美国商业公司研制的全球首台微重力3D打印
机在“国际空间站”依照美国航空航天局从地面发送的设计文件 打印出套筒扳手
五、国际研究现状
美国航空航天局的工程师利用3D打印技术制备了第一个3D打印
的Invar合金（殷钢）轻量化结构。
五、国际研究现状
航空喷气-洛克达因公司分别于2014 年6月和12月对采用3D打印