关键结构件3D打印技术 在新一代载人飞船中的应用

 2020年5月8日13时49分，由中国航天科技集团空间技术研究院抓总研制的我国新一代载人飞船试验船的返回舱，在东风着陆场预定区域成功着陆！

新一代载人飞船是面向我国载人月球探测、空间站运营等任务需求而论证的具有国际先进水平的新一代天地往返运输飞行器。此次试验船飞行任务的圆满成功，标志着中国新一代载人飞船已具备雏形，也标志着舱体结构、材料、控制系统等领域一大批新技术取得了重要突破。

其中重要的技术突破之一，是由航天五院总体部主导的超大尺寸整体钛框架设计及成型技术。超大尺寸整体钛框架结构全部采用3D打印工艺制造，成功实现了减轻重量、缩短周期、降低成本等目标。新一代载人飞船试验船的成功返回也标志着超大尺寸关键结构件整体3D打印技术通过大考。

新一代载人飞船返回过程中，防热大底部位承受最恶劣气动力和气动热。防热大底框架结构就是气动力热作用下的最主要的承力部件。由于钛合金框架的尺寸过大，若使用传统锻造工艺造价极高。同时由于设计方案需要不断调整和迭代，使得原本就异常紧张的研制周期变得捉襟见肘。以航天五院总体部马彬为首的设计团队决定采用“化整为零”的思路，尝试采用激光沉积3D打印技术来实现“好、快、廉”的设计目标。该技术既能适应设计方案的快速优化与迭代，实现应对载荷分布的轻量化设计；又能同步开展超大尺寸钛框架3D打印工艺的研究，缩短研制周期，提高研制成品率，大大降低生产成本。

鑫精合激光科技发展有限公司是承担该防热大底框架增材制造工作的一家民营企业，集团董事长李澄介绍，高性能大型关键金属结构件制造可以说是金属3D打印技术的“鬼门关”，一方面由于零件尺寸过大，内部热应力也呈指数级上升，变形甚至开裂就成了金属增材制造技术的梦魇；另一方面凝固过程、冷却过程控制不住就会产生冶金缺陷，对于关键结构件来讲，冶金缺陷是绝不能容许的问题。

经过十几年的摸索和积累，我国激光沉积制造金属3D打印技术已经取得了完整突破，从设备研发生产、材料开发到工艺参数研发的全过程实现了100%国产化。像鑫精合这样的民营企业，不仅可以实现任一尺寸和全部主流材料牌号的零组件定制化生产，而且实现了激光沉积制造设备和粉末完全自主研发。

目前，激光沉积制造技术正在越来越多的应用在航空航天领域，通过对增材制造技术认识的不断深入，我国金属制造业必将会发生本质性的变革。一是材料冶金技术将发生变革，体现在材料的制备及性能将摆脱传统冶金过程的原理性约束，实现非平衡、梯度、难熔等高性能新材料的智能制备，达到制造过程即是冶金过程的新境界；二是重大装备结构和性能将发生变革，结构件的轻量化、整体化等都将会达到新的水平；三是大型产品制造模式将发生变革，因零件尺寸原因带来的生产准备投入高、周期长等限制已获得突破，大型新产品的研制将可以实现快速、低成本、数字化/智能化制造。

毛泽东主席曾在诗词中写到，“可上九天揽月，可下五洋捉鳖，谈笑凯歌还。世上无难事，只要肯登攀”。新一代载人飞船返回舱的安全返回，意味着不计其数的新技术、新工艺正在中国人民的双手中蓬勃发展，意味着“中国制造”必将进入“中国创造”的全新时代，更意味着任何困难也不能阻止中华民族实现中国梦的伟大征程！