航空和航天工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，歐洲最先進(jìn)、最全面的宇航公司泰雷茲阿萊尼亞宇航公司（Thales Alenia Space）和法國(guó)3D打印服務(wù)公司Poly-Shape SAS達(dá)成合作伙伴關(guān)系，為韓國(guó)的新通信衛(wèi)星Koreasat-5A和Koreasat-7提供增材制造部件，從而也再次證實(shí)了3D金屬打印技術(shù)是數(shù)字化制造方式的創(chuàng)新推動(dòng)者和先驅(qū)者地位。據(jù)了解，Koreasat-7將于2017 年升空進(jìn)入東116o的太空軌道位置，覆蓋韓國(guó)、菲律賓、印度尼西亞和印度地區(qū)；Koreasat-5A也將于2017年第二個(gè)季度發(fā)射升空，并進(jìn)入東113°的太空軌道位置，覆蓋韓國(guó)、日本、中南半島和中東地區(qū)。這兩顆衛(wèi)星上的超大部件將由Thales Alenia Space和Poly-Shape合作制造完成。
據(jù)介紹，Koreasat-5A 和Koreasat-7 的天線支架將成為迄今為止，歐洲采用基于粉末床的金屬激光熔融技術(shù)制造并送入太空軌道的最大體積零件。其尺寸為447 x 204.5 x 391mm3 ，重量卻只有1.13kg，可以稱得上是真正的輕量化部件。但對(duì)于Thales Alenia Space來說，真正的挑戰(zhàn)還是來自于部件的尺寸。該部件屬于超大型的工程部件，由法國(guó)Poly-Shape SAS采用增材制造而成，將安裝在Koreasat-5A和Koreasat-7中，作為天線的基座支架，用于與地面基地進(jìn)行通信。Poly-Shape SAS公司作為3D打印的專家，在航空和航天工業(yè)的原型制作、3D金屬打印和組裝方面都是享有盛譽(yù)的合作伙伴。
輕量化結(jié)構(gòu)和成本縮減是主要優(yōu)勢(shì)
鋁 (Al) 在重量和導(dǎo)熱性上具有優(yōu)勢(shì)，是衛(wèi)星上最常用的金屬材料，因?yàn)樾l(wèi)星需要送入太空軌道的重量越輕越好。據(jù)Thales Alenia Space 增材制造負(fù)責(zé)人Florence Montredon介紹：“根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，把 1kg 重量送入太空軌道的實(shí)際成本大約是20，000歐元，因此每一克都要精打細(xì)算。Koreasat-5A和 Koreasat-7這兩顆新衛(wèi)星的起飛重量都在3，500kg左右。”而增材制造技術(shù)在輕量化結(jié)構(gòu)方面具有巨大的潛力。
太空應(yīng)用要求所使用的材料具有很高的強(qiáng)度、剛度和耐腐蝕性，因此Thales Alenia Space為該增材制造部件選用了AISi7Mg合金。且在部件的驗(yàn)證過程中，該增材制造成品部件表現(xiàn)出了<1 % 的低孔隙率，并最終成功通過了Thales Alenia Space公司的動(dòng)態(tài)測(cè)試。Florence Montredon表示：“增材制造的效果很顯著：與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，仿生的增材制造結(jié)構(gòu)重量減輕了22%。更重要的是，生產(chǎn)效率極大提高的同時(shí)，成本還下降了30%。”
30%的成本削減和多個(gè)因素有關(guān)。首先，消除了組裝成本：只需生產(chǎn)1個(gè)增材仿生部件，設(shè)計(jì)制造一次性完成，而此前需要生產(chǎn)9個(gè)零件并進(jìn)行再組裝；其次，省去了使用鑄造工藝時(shí)必不可少的制模成本；以及，最令人關(guān)注的時(shí)間成本，增材制造技術(shù)可輕松，并保證如期完成和該項(xiàng)目一樣巨大產(chǎn)品的生產(chǎn)。行業(yè)里把這稱為第一時(shí)間進(jìn)入市場(chǎng)或搶占市場(chǎng) (Time-to-Market)，業(yè)界成為起航時(shí)間 (Time-to-Fly)。
太空軌道中歐洲最大的增材制造部件：衛(wèi)星的鋁制天線支架（尺寸：x:447mm; y:204.5 mm; z:391 mm – 除去構(gòu)造板高度），由 Concept Laser 的 X line 1000R制造。
Concept Laser 的超大型機(jī)器和設(shè)備
Poly-Shape 擁有28臺(tái)具備不同構(gòu)造空間大小的3D 金屬打印設(shè)備。目前，Poly-Shape所有可使用鋁合金粉材進(jìn)行3D打印的設(shè)備中，構(gòu)造空間尺寸最大的是Concept Laser的X line 1000R。該設(shè)備可提供630 x 400 x 500mm3的構(gòu)造空間，并在惰性氣體保護(hù)下，進(jìn)行安全生產(chǎn)和粉末篩分管理，這些都是依據(jù)ATEX安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。此外，X line 1000R還擁有一個(gè)可交替使用兩種構(gòu)造模塊的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，因此能夠保證連續(xù)生產(chǎn)、無停工時(shí)間。這種獨(dú)一無二的設(shè)備設(shè)計(jì)不僅提供了極高的時(shí)間可用性，也讓機(jī)器的加裝和拆卸操作變得簡(jiǎn)單和安全。
其升級(jí)型號(hào)X line 2000R甚至擁有更大的構(gòu)造空間 (800 x 400 x 500mm3)，目前這在全球基于粉末床的激光熔融方面都是無與倫比的。相比X line 1000R，其有效構(gòu)造體積再次增大了約27 %，從126 l 增加至160 l。此外，該升級(jí)型號(hào)使用了兩部功率各為1，000W的激光器。Concept Laser的 LaserCUSING加工工藝對(duì)該項(xiàng)目具有重大意義：Concept Laser設(shè)備的特點(diǎn)在于對(duì)需要連續(xù)處理的切片分割（也稱為“島”）進(jìn)行隨機(jī)控制。這種專利方法可以確保在制造超大型部件時(shí)顯著降低應(yīng)力。
處理 447 x 204.5 x 391 mm3的龐大尺寸時(shí)，毫無疑問需要最大程度地控制翹曲現(xiàn)象發(fā)生。X line 1000R為構(gòu)造空間提供了均衡的溫度控制，避免在制造“超大型”部件時(shí)產(chǎn)生翹曲。制造大型而又復(fù)雜的仿生幾何形狀當(dāng)然是很耗費(fèi)時(shí)間的，但Concept Laser的3D金屬打印設(shè)備在進(jìn)行該項(xiàng)目龐大產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)只用了幾天時(shí)間。
符合工藝要求的設(shè)計(jì)
過渡到增材制造意味著設(shè)計(jì)思維也需要轉(zhuǎn)變。為了完全發(fā)揮出激光熔融的潛力，1：1 復(fù)制幾何形狀是毫無意義的。為了對(duì)3D部件進(jìn)行修整使其具備符合性能要求的幾何形狀、仿生和輕量化結(jié)構(gòu)，需要使用CAE-CAD輔助方法。Florence Montredon介紹說：“很明顯，我們已經(jīng)證實(shí)增材制造將是更多項(xiàng)目的有力競(jìng)爭(zhēng)者。將來，我們還希望直接在3D結(jié)構(gòu)上或內(nèi)部置入熱控或無線電功能部件，即下一個(gè)任務(wù)是進(jìn)行功能集成。這也是根據(jù)增材制造的潛力得到的一個(gè)合乎邏輯的結(jié)果。”
結(jié)論
Koreasat-5A和Koreasat-7項(xiàng)目展示了超大型高精增材制造部件在太空應(yīng)用中的可行性。采用模擬仿生設(shè)計(jì)，增材制造完成的部件可將此前需要生產(chǎn)的9個(gè)零件削減為1個(gè)零件，一次性完成的工藝讓制造過程中不再有此前的組裝成本；同時(shí)還得到了明顯更好的輕量化結(jié)構(gòu)潛力；使用增材制造解決方案可以減去22 %的重量，最終重量?jī)H1.13kg。在這種每一克重量都至關(guān)重要的應(yīng)用中，這是一個(gè)巨大的飛躍；3D幾何形狀可以根據(jù)在太空軌道中的使用條件進(jìn)行優(yōu)化修整。該項(xiàng)目令人印象深刻的結(jié)果展示了增材制造在航天工業(yè)中的潛力，相信未來航空航天領(lǐng)域中肯定還將會(huì)有更多此類項(xiàng)目的出現(xiàn)。
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