揭秘导弹3D打印,5年间生产30余个型号1000余件产品,比铸造性能更好成本更低 

3D打印新闻 /[访谈]
发布时间: 2023-04-14 09:09
编者按:批量生产与首件试制不同,推开实验室的大门迈进生产车间,关注的就不仅仅是如何打印出一个合格的工件,而是如何稳定可靠的生产出一批合格的产品。从原材料到成品检测的全面质量管理和持续不断的成本优化,才是推动技术应用从1到N的关键。

格智学院专访中国兵器科学研究院宁波分院丝材打印中心
副主任子集团科技带头人、研究员 明珠

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导弹由动力装置、制导系统、战斗部和弹体组成。弹体是导弹的盔甲,它包括弹身、弹翼、尾翼、舵面等部分。铝合金因为具有较高的强度和刚度,以及较好的工艺成型性能,通常被用来制造导弹的蒙皮和弹翼,传统采用铸造或卷焊工艺进行制备。然而铸造工艺存在内应力大、变形大、特殊位置容易出现裂纹等问题,且无法响应复杂程度日益增加的产品设计要求。

成立于2017年5月,中国兵器工业集团第五二研究所(中国兵器科学研究院宁波分院)丝材打印中心专注于响应兵器及三航飞行器、弹箭类产品需求,不断攻克材料、工艺、装备等方面的关键技术,5年间已采用电弧增材制备30余个型号1000余件产品,已实现电弧增材技术在多个型号的小批量生产应用及验证。
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异形、复杂、多筋结构电弧增材优势明显

框架类产品,结构特点是厚薄差异大,铸造过程中容易出现开裂。同时铸造是完全拘束状态内应力大,从而导致变形大,而电弧增材是自由无拘束状态,打印后应力小变形小。
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结构异形或内部结构复杂的产品,铸造出现缺陷的情况更多,甚至有的缺陷无法探伤,微裂纹可能会在使用中延展开,产生大问题。采用增材与减材交替复合加工的方法,可以直接完成大型异形复杂结构产品的制备,且减少缺陷、减少变形。
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传统焊丝无法满足电弧增材需要

从材料来说,材料的成分、洁净度、丝径均匀程度、表面质量等等都至关重要。对于丝材电弧增材来说,传统的焊接丝材无法满足需要。因为焊接往往以连接为目的,比如两块板材之间的对接或角接,更多关注的是垂直于焊缝方向的二维性能,而3D打印是三维的,需要关注XYZ三维空间甚至任意角度的性能,都要尽可能同性,而要减小各向异性,就对丝材成分控制、洁净度要求极高。而不均匀的丝径、表面的划伤、油污、氧化等,都可能造成产品制备过程中的夹渣、气孔等缺陷,最终影响产品成品的质量。
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五二所对材料的经验可以追溯到上世纪90年代,发展至今已经形成从材料开发、材料制备到产品制备的包括原材料,工艺,装备,后处理,检测的完整产业链。

历经六代装备迭代演进

除材料之外,工艺也是控形和控性的关键因素,控形和控性需要打印路径的合理规划,还有热处理、机加工等后处理过程中对变形的控制。
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打印工艺也离不开装备,从第一代“机器人+焊机+工作台”的简单配置,到第五代商业化程度极高的数字化大型标准设备,到第六代智能化的原位增减复合装备,丝材打印中心将多年来积累的工艺实战经验融合进了生产装备的不断迭代之中,目前拥有增材装备20套,其中铝合金增材装备18套,钛合金增材装备2套。

电弧增材制造未来“岛”

丝材打印中心在未来2-3年内会规划建设可以实现智能化工序规划及调度的电弧增材制造工艺“岛”,将目前已经实现的工艺参数数字化、熔滴监控数字化,以及热处理过程感知等数字化手段集成其中,用于批量产品的生产。

进一步降低成本推广民用市场

通过多年的积累,目前基于丝材打印中心的经验和评估,电弧增材技术在目前导弹壳体小批量打印的场景中,已经可以实现与铸造成本持平甚至更低,从某种程度上颠覆了普遍对于3D打印技术成本更高、更适用于研发试制场景的刻板印象。
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未来,随着装备、工艺、材料的进一步进化发展,实现大型复杂多材料、低成本、数字化、智能化的电弧增材,并将这项技术大量推广到民用的市场,是最终的目标。

注:本文整理自格智学院策划并制作的系列行业科普纪录片《DED发现之旅》,选题报名联系:魏璇 18061635313。

知识补充:

Directed Energy Deposition(DED)

定向能量沉积
英文名称:Directed Energy Deposition
英文缩写:DED
中文名称:定向能量沉积
技术定义(ISO/ASTM52900:2021):
Additive manufacturing process in which focused thermal energy is used to fuse materials by melting as they are being deposited.
技术定义(GB/T):利用聚焦热将材料同步熔化沉积的增材制造工艺。
技术细分(ISO/ASTM52900:2021):
    DED-LB:能量源为激光
    DED-EB:能量源为电子束
    DED-Arc:能量源为电弧
归属此类的常见增材技术(俗称):LC, LENS, LMD, LDMD, LSF, EBDM, EBAM, EBF, WAAM等
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