3D打印助力中國航空事業(yè)：長征5號火箭有50個3D打印零件

2020年7月，長征五號運載火箭在中國文昌航天發(fā)射場成功點火起飛，中國邁出行星探測的第一步——奔向火星!這不僅是其首款從頭開始設計的運載火箭，專門針對非高液性液體火箭推進劑，而且還采用了50個3D打印機制作的零件，3D打印技術在航空航天領域再立一功。

      其中，長征五號運載火箭上的一個重要部件——級間解鎖裝置保護板，正是中國航天科技集團公司中國運載火箭技術研究院航天材料及工藝研究所通過采用3D打印公司的解決方案加工而成，他們使用了激光燒結平臺和高性能材料，為火箭的靜態(tài)發(fā)射裙生產了50個零件。

      3D打印即快速成型技術的一種，又稱增材制造，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。近年來，3D打印已經成為航空航天領域的重要技術，可以幫助航空航天設備減輕重量、節(jié)省燃料、提高運營效率、部件整合、加速上市時間和減少對零部件的存儲要求。

      航天是一項高風險的行業(yè)，航天飛行器總體設計的過程就是將看似神秘的諸多技術指標細化分解成對各個系統(tǒng)兼具可行性和可靠性的具體設計要求，并最終通過各個具體技術細節(jié)的有機結合，完成人類翱翔太空的使命。其中航天分離技術恰恰是航天飛行器總體設計中的一項極為關鍵技術。

      火箭在工作期間所獲得的速度增量與發(fā)動機開始工作時的火箭總重m0和發(fā)動機結束工作時的總重m1相關，m0/m1的比值越大，火箭就能獲得越大的速度增量。有效載荷要進入太空工作，至少要被加速到第一宇宙速度，多級火箭通過不斷將完成工作的部分拋棄，火箭m0/m1的比值將不斷變化，火箭得以被“接力”加速，最終達到理想的入軌速度，在這一過程中，火箭的各級間的分離過程極為重要。

      長征五號運載火箭總長約57米，箭體直徑達5米，不僅是我國最高、體積最大的火箭，也是運載能力最強的火箭。級間解鎖裝置保護板其單批次加工件數(shù)較少，加工頻次較低，如采用傳統(tǒng)注塑方式需要使用模具，模具成本高，且模具的保存成本也較高。而采用3D打印技術，則無需開模，一體成型。

      3D打印公司提供了超大打印幅面的尼龍增材制造解決方案，1000×500×450mm的超大成型缸，可實現(xiàn)大型產品的一體化成型和小型產品的批量化生產。級間解鎖裝置保護板每個部件尺寸約為370mm*100mm*125mm，最終整個部件尺寸直徑約5000mm，采用HT1001P打印近50件拼接而成，耗時僅48小時。

      此外，較之原有鋁合金材質，該保護板采用3D打印高分子材料，安裝更為靈活便捷，表面的紅色噴漆具有防水、防鹽霧功能，可起到良好的防護作用。

      3D打印具有較多優(yōu)點，可以將原本通過多個構件組合的零件進行一體化打印，實現(xiàn)了零件的整體化結構，幫助設計者突破束縛實現(xiàn)功能最優(yōu)化設計。一體化結構的實現(xiàn)除了帶來輕量化的優(yōu)勢，減少組裝的需求也可以幫助企業(yè)提升生產效益。此外，3D打印出的零部件更加精細，形狀尺寸選擇更多，設計師在進行飛行器中的復雜零部件設計時，以考慮零部件的可制造性轉變?yōu)?D打印設計思維下的實現(xiàn)零部件功能性為主。

      說到3D打印技術，其作為二十一世紀炙手可熱的技術之一，目前已經滲透了包括航空航天在內的各行各業(yè)，此次3D打印技術與航天材料及工藝研究所的成功合作，既推動了增材制造技術在我國航天航空領域的深化應用，又實現(xiàn)了國產新型大幅面增材制造裝備的應用驗證，標志著我國航天增材制造邁出了堅實一步。