3D打印钛合金结构件及其在航空航天上的应用详解

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
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Baidu Nhomakorabea
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
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。
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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RUAG 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
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
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。