像蒲公英一样轻盈！中国造采用微单元包络体结构轻量化设计飞行器结构件尺寸获得重大突破！

晶格/点阵结构由于重量轻、高强度比，逐渐成为航空航天产品设计的宠儿。日前，丹麦公司Adimant利用3D金属打印技术制作了据说是迄今为止最大的金属晶格结构，重1.7公斤，体积134×28×500毫米，用在欧洲最大的卫星制造商Thales Alenia Space的卫星上。

而《3D打印世界》获悉，近期，由中国空间技术研究院总体部采用微单元包络体（即点阵结构）结构进行轻量化设计的航天器结构件，通过金属3D打印技术研制成功，尺寸超过了Thales Alenia Space的卫星所采用的金属晶格结构。标志着国内金属选区熔化3D打印在成形尺寸极限、薄壁结构、微单元包络结构等关键技术方面取得重大突破。今天，我们不但为大家揭晓此航天器结构件的真面目，还将揭秘其背后的技术难题。（编者注：本案例已获得中国空间技术研究院授权披露，但因保密要求，该航天器的具体用途不便透露）

据悉，此航天器结构件是采用钛合金研发制造、包络尺寸为长短轴在550至700mm的十字连接椭圆形结构件（外形如图1所示）。如果采用传统制造工艺制造，零件内部只能为实体结构，重量将高达1.5公斤，无法满足产品重量要求。为达到减重的目的，设计人员在零件设计优化过程中使用了基于点阵结构的创新设计技术，用微单元包络体结构代替原有的实体结构，这种结构的理论重量远低于实体结构的重量，最终这样一个大家伙的成形零件的质量仅为600余克！让人不得不惊叹于点阵结构的神奇魅力（内部结构如图2所示）。

图1：飞行器框形状 

图2：飞行器框结构

由于传统制造工艺无法实现这种微单元包络体结构的制造，最终，通过采取金属3D打印技术成功研制出该航天器结构件。零件的质量仅为600余克，相比传统制造工艺减重60%左右。该钛合金零件体密度仅为1g/cm³，与水密度相当，减重效果极为明显，是尺寸获得重大突破的轻量化点阵航天器结构件。众所周知，航天器通常由众多复杂零部件构成，而这仅仅只是其中之一。如果能在更多的零部件尤其是大型结构件上实现晶格结构及金属3D打印，发射中的燃料成本将可以大大节约！这对于金属3D打印在航天航空领域的应用无意具有里程碑式的重要意义。

《3D打印世界》了解到，此航天器结构件成形采用的金属3D打印技术为激光选区熔化成形技术。激光选区熔化成型技术成形的零件致密性好，能够成形高精度复杂异型金属零件。因其具有组织致密、综合性能优良的特点，在国内外已得到了普遍重视，并具有一定程度商业化应用。

据项目相关专家介绍，采用激光选区熔化成形技术成形此结构件的背后，存在以下技术难题：

1、该航天器结构件尺寸大，包络体蒙皮壁厚较薄，厚度不足0.5mm，且内部为微单元结构，结构尺寸精度要求严格；

2、激光选区熔化成形过程中，温度梯度产生的热应力存在使零件变形的风险；

3、包络体完全包络微单元结构，无法通过添加支撑来确保悬空的包络体蒙皮的成形。

4、零件整体尺寸较大，超出国际金属3D打印厂家一般设备成形尺寸极限。

5、重量要求严格，实物重量不得超过模型理论重量的3%。

为了获得性能优良、重量轻的轻量化航天器结构件，设计团队及制造团队经过层层技术攻关，利用基于点阵结构的轻量化结构设计技术及金属3D打印技术成功研制出这一大尺寸3D打印轻量化航天器结构件产品，一举解决该结构件的减重难题。

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