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中国航天科工三院239厂金属增材制造团队新技术研发侧记

航天型号研制阶段的模型变化时有发生,如何才能满足快速研制的需求?增材制造技术可实现从三维模型到产品的无模直接成形,是精密复杂航天产品快速研制和优质高效制造的最佳技术途径之一。

中国航天科工三院239厂自2015年发展金属增材制造技术以来,相继突破大尺寸构件电弧增材制造和异型薄壁复杂构件四光束激光选区增材制造的形性控制等关键技术,向着高质量发展的目标展开了一场生动实践。

电弧熔丝增材制造技术

近日,239厂电弧增材及复合制造的相关技术成果荣获2021年度省部级奖励一等奖。

2015年,239厂总工艺师张铁军带队前往华中科技大学调研先进制造技术。

“电弧熔丝增材制造技术十分符合总装厂高效低成本研制生产需求,也符合我们‘差异化、核心化、高端化、优势化、产业化’的技术发展思路,我们必须引进这项新技术。”张铁军决定立即组织开展可行性论证等工作,尽快研制出国内首台套工程化应用的电弧熔丝增材制造装备。

“当时国内没有电弧增材商业软件,我们就自己开发。金属增材制造团队中没有既懂工艺又懂软件的,开始的时候非常艰难。”239增材专业主任工艺师、研究员王志敏说。

“不懂没问题,我们画示意图,凑在一起讨论软件框架和技术细节。”增材工艺员何智带领团队快速突破电弧增材自动控制软件开发、增材铝合金内部气孔抑制、大尺寸结构件成形精度与变形制等多项关键技术。

 239厂

电弧增材制造技术从传统的弧焊发展而来,用电弧热将丝材熔化并按预定轨迹逐层堆积成金属结构件,有着研制周期短、沉积效率高、设备成本及运行成本低、材料利用率高等特点。

激光选区熔化技术通过实战考核

除电弧增材制造技术之外,239厂于2018年成功研制四光束激光选区熔化增材制造装备,填补了国际上可工程化应用的最大成形尺寸的四光束激光选区熔化成形高端装备集成制造空白。

 239厂

对于企业来说,新技术通过型号产品的考核验证才是最终目的。

一次,增材制造技术团队接到任务,需要制定全新的增材制造工艺方案、全新的增材制造工艺参数以及全新的热处理制度,这给团队带来了挑战。

“这种结构是未来产品的代表,啃下了这块硬骨头,那必然将更好地支撑型号发展。”特种加工中心主任李宏伟说。

“这个地方肯定会变形,得想办法给他拉住了。”入厂不久的苏江舟和干建宁对着仿真云图交流优化方案。工艺人员大胆创新,在设计上利用“弱化骨架+点阵填充”相结合,打印前通过数值模拟仿真预测变形趋势。

 239厂

团队成员从激光选区熔化增材制造工艺参数的摸索、到产品整体增材制造摆放方案的数值仿真模拟分析,支撑方案的反复迭代优化,并利用增材制造经验,通过增材制造摆放角度优化以及支撑方案设计,解决了变形及开裂的技术难题。

 239厂

截至目前,激光选区增材及电弧增材技术成形的零件已在三院内多产品广泛应用,同时在其他航天产品和企业中获得应用并通过考核验证。自主研发的电弧熔丝装备也将进行装机应用。

乘势而上加快增材数字化布局

239厂的增材制造核心装备研制工作还在继续,后续还将陆续形成增减材、多头阵列式电弧材等多项核心装备,摆脱受制于人的局面,进一步推动“中国制造”迈向“中国智造”的新高度。

针对“十四五”后期任务需求,239厂坚持型号任务需求牵引与技术推动相结合,拟建成包括电弧增材、激光选区增材、激光熔融沉积增材、电子束选区增材等主流金属增材技术的数字化产线,同时构建模型设计、模拟仿真、成形制造、后处理等增材制造相关的技术能力,并充分利用5G等数字化手段,建立大规模、低成本、高品质、快节奏、可转移的增材制造技术体系。

四光束激光选区熔化增材制造装备,成形幅面达到800mm*800mm。

 239厂

239厂目前正在实现从基板自动装夹、自动上粉、自动清粉、自动做支撑等打印过程的自动化。增材工艺员李鹏表示,虽然机械手、流水线在一定程度上解放了人的双手用,但终究不过是机器助人,不能将数字化制造和自动化划等号。

尽管增材制造正在迎来发展的上升期,但增材制造技术整体上仍然面临着诸多技术难题。

“成本是制约增材制造技术大规模推广的关键因素。”何智表示,增材制造在产品研制阶段具有响应速度快的独特优势,但成本过高,一旦需要大批量制造时,仍可能采用铸造、锻造、机加等传统工艺。

面向未来,239厂还将加快催生自主创新与协同创新相结合的技术创新新动能,进一步巩固和提升增材专业及相关配套技术能力,继续深入增材制造的技术攻关与推广应用工作,更好地支撑新一代装备发展,提升国防行业先进制造技术实力。

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