在商業(yè)航天飛速發(fā)展的今天，輕量化、高強(qiáng)度薄壁零件已成為各類航天裝備的核心結(jié)構(gòu)首選。然而，這類零件在3D打印過程中極易出現(xiàn)顯著變形，成為制約其規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

作為國內(nèi)商業(yè)航天領(lǐng)軍者，藍(lán)箭航天致力于研制以液氧甲烷作為推進(jìn)劑的中大型運(yùn)載火箭系列產(chǎn)品，以高性價(jià)比發(fā)射服務(wù)立足全球。面對薄壁零件制造痛點(diǎn)，藍(lán)箭航天聯(lián)合漫格科技攜手探索解決方案。

如何實(shí)現(xiàn)薄壁零件的高精度成型，同時(shí)控制成本、提升效率？藍(lán)箭航天的實(shí)踐或許給出了答案。

薄壁彎管零件遭遇加支撐難題

藍(lán)箭航天的一款鈦合金薄壁彎管零件，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過3D打印實(shí)現(xiàn)一體化成型，以降低制造成本、提升結(jié)構(gòu)完整性。對于此類復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，傳統(tǒng)3D打印工藝為控制變形，必須采用大量支撐結(jié)構(gòu)對零件薄弱區(qū)域進(jìn)行固定。

但這種方式存在三大核心問題：

• 支撐添加量巨大：薄壁彎管的中空結(jié)構(gòu)與彎曲形態(tài)，要求支撐需從打印基板延伸至彎管內(nèi)壁的各個(gè)受力點(diǎn)，且需保證支撐密度足以抵抗打印過程中的熱應(yīng)力變形，導(dǎo)致支撐體積往往遠(yuǎn)超零件本體。

• 后續(xù)去除難度高：彎管內(nèi)部空間狹窄、通道曲折，傳統(tǒng)機(jī)械去除（如銑削、打磨）工具難以深入，需依賴化學(xué)蝕刻或手工清理?；瘜W(xué)蝕刻可能對零件表面造成腐蝕，影響鈦合金的力學(xué)性能；手工清理則效率極低，且易因操作不當(dāng)導(dǎo)致彎管內(nèi)壁劃傷、壁厚不均，直接破壞零件精度。

• 精度損耗風(fēng)險(xiǎn)大：支撐與零件本體在打印過程中緊密結(jié)合，去除時(shí)易產(chǎn)生應(yīng)力集中，可能導(dǎo)致零件出現(xiàn)微變形或開裂，最終導(dǎo)致零件報(bào)廢。

圖1 薄壁彎管模型

VDE變形補(bǔ)償技術(shù)

實(shí)現(xiàn)一次打印成功的關(guān)鍵

為了避免加支撐帶來的問題，同時(shí)降低研發(fā)成本和生產(chǎn)時(shí)間，藍(lán)箭航天引入VoxelDance Engineering(VDE)仿真軟件，對打印零件進(jìn)行預(yù)變形補(bǔ)償仿真處理。

VDE可以對整個(gè)打印、熱處理、切割、熱等靜壓、機(jī)械加工變形、殘余應(yīng)力和溫度分布進(jìn)行虛擬預(yù)測與補(bǔ)償。其變形補(bǔ)償功能在大幅降低對支撐結(jié)構(gòu)依賴的同時(shí)，精準(zhǔn)保障了零件打印精度。

1. 變形預(yù)測與補(bǔ)償策略

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)首先對原始薄壁彎管模型進(jìn)行了3D打印過程仿真。VDE仿真軟件通過機(jī)械和熱學(xué)分析預(yù)測了其變形，殘余應(yīng)力和溫度場，結(jié)果顯示：原始模型打印后的最大變形量超過1.8mm，遠(yuǎn)高于航天零件嚴(yán)苛的精度要求。

基于此數(shù)據(jù)，VDE軟件對模型進(jìn)行了反向補(bǔ)償，有效抵消打印過程中可能產(chǎn)生的變形。

圖2 原始模型打印變形仿真結(jié)果

2. 二次仿真驗(yàn)證

對補(bǔ)償后的模型再次進(jìn)行打印過程仿真，并將其變形結(jié)果與原始模型進(jìn)行對比分析。對比結(jié)果顯示，補(bǔ)償零件打印后變形與原始零件的最大偏差低于0.2mm，VDE仿真軟件的補(bǔ)償功能讓零件打印變形得到有效控制。

圖3 原始模型變形與補(bǔ)償模型變形對比

3. 實(shí)物打印與驗(yàn)證

在仿真驗(yàn)證通過后，藍(lán)箭航天依據(jù)VDE變形補(bǔ)償?shù)氖菙?shù)據(jù)對零件進(jìn)行了打印。掃描檢測數(shù)據(jù)顯示，補(bǔ)償后零件的實(shí)際打印尺寸與設(shè)計(jì)尺寸偏差穩(wěn)定控制在0.2mm內(nèi)，完全滿足航天領(lǐng)域?qū)Ρ”诹慵木纫?，成功?shí)現(xiàn)了該零件的一次打印成功。

圖4 補(bǔ)償后打印件掃描結(jié)果

仿真驅(qū)動(dòng)制造

航空航天薄壁零件成型新范式

漫格一體化增材制造解決方案成功攻克了航空航天薄壁零件3D打印易變形和精度難控制的行業(yè)痛點(diǎn)。該方案以仿真驅(qū)動(dòng)變形補(bǔ)償技術(shù)為核心，替代了傳統(tǒng)依賴大量支撐的工藝思路，在保障零件精度的同時(shí)，大幅縮短制造時(shí)間、降低生產(chǎn)成本，為商業(yè)航天領(lǐng)域薄壁及復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的3D打印制造提供了可復(fù)制、可推廣的技術(shù)范式。

精度決定高度，創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)未來。VDE仿真技術(shù)正在為航天制造工藝革新與行業(yè)整體效率提升提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，助力中國商業(yè)航天邁向新高度！

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