案例 | 用于航天器的鈦鑲件：使用金屬3D打印減重66％

來源：Materialise

將每一公斤物品運入衛(wèi)星軌道的費用約為20,000美元。因此，節(jié)省的每一克都有助于提高空間探索的效率。Materialise與全球數字服務領導廠商Atos的工程部門共同合作，“重新發(fā)明”一個廣泛應用于衛(wèi)星的鈦金屬鑲件。

在設計或制造航天器部件時，最大的挑戰(zhàn)就是優(yōu)化重量，而且這不能以犧牲部件強度或性能為代價。Materialise與全球數字服務領導廠商Atos的工程部門共同合作，旨在“重新發(fā)明”一個廣泛用于航空航天領域的鈦鑲件，用于在衛(wèi)星等結構中傳遞高機械載荷。憑借精巧的優(yōu)化設計并通過金屬3D打印，新型鈦金屬鑲件重量僅為原來的三分之一，還加入了一些改進的特性。

鑲件置入夾層板結構
這些鑲件通常作為安裝點，用來將各種設備與衛(wèi)星連接起來。這樣的鑲件通常承受很高的負載，需要提升起又大又重的結構。這意味著它們必須表現出很高的強度-重量比：這個部件必須具有很高的強度和剛性，同時重量又必須非常輕。這些鑲件被置入在航空航天結構中很常見的復合結構夾層板里共同固化，通過與夾層板的粘合將載荷轉移。

傳統(tǒng)的鑲件通常采用鋁或鈦制作，通過機加工制造，做成磚塊的形狀。它們的質量和成本都很高，因為其內部完全是實體。除了材料的高成本之外，重型部件還會增加每次發(fā)射時航天器的運營成本。

然而，金屬3D打印可以解決這些問題，并且使用相同的材料：鋁和鈦。

利用3D打印優(yōu)化設計
工程師面臨著改變傳統(tǒng)思維的挑戰(zhàn)。這個設計旨在滿足從概念階段到制造階段的所有要求。Atos依靠在航空航天工程和結構仿真方面的專業(yè)知識，從內到外設計了這個新型部件，提高了其整體性能。

通過3D打印，物體的內部空間可以采用中空或輕量化結構設計。Materialise和Atos的工程師從減少部件內部的材料使用量入手，研發(fā)團隊采用拓撲優(yōu)化和晶格結構設計等先進技術，將鑲件質量從1454克減少到500克。

除了減輕重量外，團隊還解決了原始設計中的熱彈性應力問題。由于這些鑲件在夾板的碳纖維增強聚合物固化過程中已經被安裝，因此會受到熱彈性應力。優(yōu)化設計降低了這些應力帶來的影響并改善了載荷的分布，從而延長了鑲件的使用壽命。

鈦鑲件的橫截面展示了內部的輕量化結構

在不萊梅的Materialise金屬3D打印工廠運用了這個新設計制造了兩個鈦合金（TiAl6V4）鑲件。作為Materialise的金屬3D打印中心，這個工廠已通過諸如此類的項目展示了其在生產和軟件開發(fā)中的先進制造能力。金屬3D 打印也已經證明其在航空領域的巨大潛力，因為先前沒有任何的手段可以達到如此之快的交付時間。

Marta García-Cosío，Atos西班牙機械工程總監(jiān)這樣評價：“減輕重量將有助于提高衛(wèi)星設備的有效載荷，并大量節(jié)省每次發(fā)射成本。正是由于在如此短的時間內，在金屬增材制造領域創(chuàng)造出這種高度復雜的產品，使得Atos和Materialise成為金屬3D打印解決方案供應商中的佼佼者。我們對這一創(chuàng)新感到非常的自豪�！�

通過這個成功的項目以及它所體現的研究成果，我們期待著進一步擴大在航空航天領域使用3D打印的金屬部件。