袁　媛，張　路，唐照芳，徐志強(qiáng)，劉俊利

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

淺議精密慣性產(chǎn)品制造中的增材制造

袁媛，張路，唐照芳，徐志強(qiáng)，劉俊利

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

慣性技術(shù)已經(jīng)成為國防及國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)各行業(yè)中運(yùn)動信息感知測量的核心技術(shù)。但是制造環(huán)節(jié)卻成為制約其精度提高、性能改善、效率提高、成本降低的“黑障”，困擾著慣性技術(shù)再進(jìn)步的步伐。剛剛興起卻迅猛發(fā)展的三維數(shù)字化增材制造（3D打?。┘夹g(shù)徹底顛覆了傳統(tǒng)制造，從裝備到工藝、從材料到設(shè)計的理念，對制造業(yè)形成了革命性的沖擊。以慣性技術(shù)產(chǎn)品三維數(shù)字化增材制造為目標(biāo)，詳細(xì)敘述了三維數(shù)字化增材制造的概念，國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和其在精密慣性技術(shù)產(chǎn)品制造中的可能性、可行性和推動慣性技術(shù)產(chǎn)品制造變革的價值；并根據(jù)近幾年對三維數(shù)字化增材制造的一些學(xué)習(xí)認(rèn)知、實(shí)踐感悟，提出了一些三維數(shù)字化增材制造在精密慣性技術(shù)產(chǎn)品制造中應(yīng)用的粗淺看法和思路，以求共進(jìn)。

慣性技術(shù)；增材制造；精密結(jié)構(gòu)體；理想化設(shè)計

0 引言

我國已成為世界第一制造大國，但仍面臨產(chǎn)品質(zhì)量不高、創(chuàng)新能力和核心競爭力不足等問題。尤其是為適應(yīng)高技術(shù)、大數(shù)據(jù)、信息化時代需求而創(chuàng)生的多種大型精密結(jié)構(gòu)件、輕質(zhì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件和仿生功能結(jié)構(gòu)件的制造，對我國制造業(yè)提出新的挑戰(zhàn)。因此，正當(dāng)全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革與我國加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式形成歷史性交匯，制造業(yè)回流再工業(yè)化進(jìn)程之際，國家不失時機(jī)提出“中國制造2025”的概念和憧憬，無疑是振興我國制造業(yè)，實(shí)現(xiàn)我國由制造大國邁向制造強(qiáng)國的航標(biāo)燈。而整體推進(jìn)、重點(diǎn)突破三維數(shù)字化增材制造（3D打印），亦即，增材制造和智能制造已成為中國制造2025規(guī)劃的核心和亮點(diǎn)，成為實(shí)現(xiàn)我國由制造大國到制造強(qiáng)國的重要出路之一，成為提升我國國防產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略水平和體現(xiàn)大國地位的標(biāo)志。

在現(xiàn)代高技術(shù)信息化多維戰(zhàn)爭模式中，充當(dāng)精確打擊核心的精密慣性技術(shù)產(chǎn)品在國防高性能產(chǎn)品制造技術(shù)領(lǐng)域，面臨產(chǎn)品性能精度越來越高、體積質(zhì)量越來越小、壽命越來越長、可靠性越來越高、機(jī)動反應(yīng)時間越來越快、研制周期越來越短、成本越來越低的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)制造技術(shù)已接近極限，精密慣性技術(shù)產(chǎn)品必須提升全制造過程效率和集成性能精度。剛剛興起卻迅猛發(fā)展的三維數(shù)字化增材制造技術(shù)徹底顛覆了傳統(tǒng)制造，從裝備到工藝、從材料到設(shè)計的理念，對制造業(yè)形成了革命性的沖擊。正視現(xiàn)實(shí)，不得不反思“用無休止的設(shè)備精度保證越來越高的慣性產(chǎn)品精度”傳統(tǒng)思維的正確性。三維數(shù)字化增材制造在精密慣性產(chǎn)品制造中的應(yīng)用，可以為精密慣性技術(shù)產(chǎn)品在性能精度、結(jié)構(gòu)輕量化、仿生功能設(shè)計、快速研制、新材料應(yīng)用等方面帶來新的活力，為我國精密慣性技術(shù)產(chǎn)品滿足國防新的需求帶來革命性的提升［1］。

1 增材制造的概念

關(guān)橋院士對“狹義”增材制造的概念定義是指不同的能量源與CAD/CAM技術(shù)結(jié)合、分層累加材料的技術(shù)體系；“廣義”增材制造則以材料累加為基本特征，以直接制造零件為目標(biāo)的大范疇技術(shù)群。實(shí)際上，增材制造就是以目標(biāo)參數(shù)為邊界因子的三維定積分制造技術(shù)。所以，增材制造將三維實(shí)體變?yōu)槿舾蛇壿孅c(diǎn)、面，通過對材料處理并逐層疊加進(jìn)行生產(chǎn)。根據(jù)成形方法的不同，分為立體光刻、熔融沉積、選擇性激光燒結(jié)等技術(shù)。其中，激光直接制造（DLF）和激光選區(qū)熔化（SLM）技術(shù)為典型的增材制造技術(shù)［2-4］。

直接增材制造通常以激光束、電子束等高能束流為熱源，加熱金屬絲/粉直接成形，其基本工作原理如圖1所示。激光選區(qū)熔化制造技術(shù)（SLM）在零件設(shè)計和圖形切片等方面與DLF技術(shù)基本相同，加工零件都不會發(fā)生宏觀成分偏析，致密度近乎100％，只在送粉方式上存在差別，如圖2所示。激光直接制造技術(shù)以同軸送粉為特點(diǎn)，成形尺寸不受限制，適用于大型異構(gòu)件的高效成形；激光選區(qū)熔化成形則以精密成形為特點(diǎn)，適合成形精度要求高的復(fù)雜構(gòu)件。

圖1　激光直接制造技術(shù)的工作原理Fig.1 Working principle of direct laser fabrication

圖2　激光選區(qū)熔化技術(shù)的工作原理Fig.2 Working principle of selective laser melting

可見，穩(wěn)定高能熱聚焦束流源、相適應(yīng)的粉/絲制材和新的數(shù)字化仿生設(shè)計思維理念是增材制造的三要素。隨著材料、設(shè)備、工藝以及工程化應(yīng)用方面的迅速發(fā)展，增材制造在縮短制造流程和規(guī)劃、減少制造配置和成本、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)和仿生、簡化功能結(jié)構(gòu)和關(guān)系、提升制造效率和理念、實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代數(shù)字化綠色節(jié)能的六大特點(diǎn)愈發(fā)突出；在基于裝配的組合設(shè)計制造、基于網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計制造、流道與腔體等內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造和多種新型材料性能的復(fù)合制造等四大優(yōu)勢已逐步顯現(xiàn)。

2 國內(nèi)外增材制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

三維增材制造技術(shù)作為前沿先導(dǎo)性智能制造技術(shù)，沖擊著傳統(tǒng)設(shè)計，引領(lǐng)著市場方式和工藝的深刻變革，得到世界各國的廣泛關(guān)注。以美國、德國為代表的西方國家，采取了一系列措施來促進(jìn)增材制造技術(shù)的發(fā)展。美國將增材制造命名為“國家制造”，由國防部牽頭組建“國家增材制造創(chuàng)新研究院”，并發(fā)布了美國“2020年增材制造技術(shù)新版路線圖”，聚焦設(shè)計、材料、工藝、價值鏈和增材制造基因組5個技術(shù)領(lǐng)域開展研究。各發(fā)達(dá)國家均將增材制造技術(shù)視為一項設(shè)計和制造技術(shù)的革命，針對自身需求開展研究，已取得良好效果，例如:

1）基于復(fù)雜輕質(zhì)集成組合的制造。零件數(shù)量和緊固連接是產(chǎn)品組合設(shè)計中，降低裝配難度和成本的大忌。美國GE公司基于增材制造技術(shù)為一款無線電控制飛機(jī)設(shè)計了一臺功能齊全的小型噴氣發(fā)動機(jī)RC引擎，由過去多達(dá)20多個零部件組成的發(fā)動機(jī)燃料噴嘴，減少到了3個。

2）基于拓?fù)涞妮p量化、仿生結(jié)構(gòu)、空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等設(shè)計制造成為現(xiàn)實(shí)，減重效果顯著。歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)通過SLM技術(shù)制造出了用于空客A320的鉸鏈支架，如圖3（a）所示，在剛度不變情況下質(zhì)量減少64％，應(yīng)力有效減小?？罩锌蛙嚬就ㄟ^定制算法模擬細(xì)胞結(jié)構(gòu)和骨骼生長，設(shè)計生成空客A320用3D打印機(jī)艙隔離結(jié)構(gòu)，如圖3（b）所示，這種機(jī)艙隔離結(jié)構(gòu)較之前輕45％，預(yù)計2016年將裝機(jī)試飛。

圖3　增材制造輕量化結(jié)構(gòu)零件Fig.3 Lightweight structure by additive manufacturing

3）流道、腔體等內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的增材制造。此類零件常規(guī)制造為“鑄造+機(jī)加”，生產(chǎn)周期長且部分微細(xì)結(jié)構(gòu)無法成形。增材制造技術(shù)可快速實(shí)現(xiàn)，制造時間從數(shù)月降低至數(shù)周，提高了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可靠性。J-2X發(fā)動機(jī)的主承包商Aerojet Rocketdyne公司利用SLM工藝制造了用于鈦礬合金燃?xì)獍l(fā)生器管道，并完成火箭噴射器測試，如圖4所示。

圖4　J-2X鈦合金燃?xì)獍l(fā)生器管道及成形復(fù)雜葉片F(xiàn)ig.4 J-2X gas generator tube and complex blade

4）多種新型粉末材料分層、分行或者空間點(diǎn)陣混合打印制造，形成特殊金屬構(gòu)造，產(chǎn)生不同熔煉狀態(tài)性能。例如:美國普渡大學(xué)在直接激光沉積技術(shù)基礎(chǔ)上，采用金屬粉末和一種獨(dú)特的多激光法，研發(fā)出能打印質(zhì)量更輕、強(qiáng)度更高的金屬部件的新型3D打印技術(shù)，能調(diào)整金屬晶粒位置結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度比傳統(tǒng)制造提高20％。北卡羅來納州研究團(tuán)隊采用3D打印技術(shù)開發(fā)出一種強(qiáng)度質(zhì)量比類似陶瓷，又不脆的高熵強(qiáng)度重量比合金，超出其他任何現(xiàn)有的金屬材料。

5）漿料軌跡直寫成形電阻、電容、電感、電路等器件與結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)功能一體化電子元器件的快速研制。美國國防部高級研究計劃局（DARPA）開展了“中等尺度集成電子成形制造”技術(shù)研究，研發(fā)線寬為微米級無掩膜、無光刻電子產(chǎn)品的新技術(shù)，要求能在任意材料、任意形狀基板上沉積任意材料。美西北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院采用等離子體熱噴涂直寫技術(shù)制造了陶瓷濕度傳感器，當(dāng)濕度從11％升至98％，傳感器的電阻從2.4×109Ω降至9×105Ω。

國內(nèi)，為推進(jìn)我國增材制造健康有序發(fā)展，工信部、發(fā)改委、財政部制定了《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計劃（2015-2016年）》，從材料、工藝、裝備、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用示范等五個方面促進(jìn)增材制造技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。自20世紀(jì)90年代，西北工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、華中科技大學(xué)等高校和研究機(jī)構(gòu)在增材制造設(shè)備、工藝、材料、應(yīng)用方面開展了研究，達(dá)到與國外相當(dāng)水平。中國商飛公司實(shí)現(xiàn)了C919飛機(jī)大型鈦合金中央翼緣條零件激光直接沉積制造，最長尺寸達(dá)到2.83m，最大變形量優(yōu)于1mm，大大提高了制造精度和效率，顯著降低了成本。中國航天推進(jìn)技術(shù)研究院采用增材制造的航天發(fā)動機(jī)高溫合金管已批量應(yīng)用，大幅度提高了產(chǎn)品性能。中國航天空間技術(shù)研究院已成功研制了基于增材制造技術(shù)的星敏、動量輪等整體結(jié)構(gòu)件，通過裝星鑒定及實(shí)驗考核。天津大學(xué)精密儀器系也成功研制了基于增材制造技術(shù)的各種結(jié)構(gòu)尺寸吊艙和微導(dǎo)引頭。

3 增材制造在精密慣性產(chǎn)品制造中的價值和問題

我國慣性技術(shù)正處于從原有高端軍事領(lǐng)域應(yīng)用向國民經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)化和拓展的迅猛發(fā)展期，除國防裝備需求外，作為敏感穩(wěn)定導(dǎo)航控制和執(zhí)行控制的慣性技術(shù)產(chǎn)品（傳統(tǒng)機(jī)械、光學(xué)固態(tài)、MEMS和硅微、新興原子慣性產(chǎn)品及系統(tǒng)，以及儲能飛輪、力矩陀螺等）廣泛應(yīng)用于民用航空航天、航海深潛、陸用交通、能源鉆探、醫(yī)療保健、智能制造、影視娛樂、網(wǎng)絡(luò)通信、工程安全、穩(wěn)姿穩(wěn)向等10個方向，決定了慣性技術(shù)產(chǎn)品需求的復(fù)雜多樣性、軍民兼容性、通專兼?zhèn)湫院吞胤N專用等，并已成為國防及國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)各行業(yè)中運(yùn)動信息感知測量的核心技術(shù)。

在智能制造的大背景下，三維增材制造技術(shù)將與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人等先進(jìn)技術(shù)充分融合成為智能數(shù)字制造平臺，具有廣闊發(fā)展前景。隨著高科技的發(fā)展，導(dǎo)航技術(shù)也在不斷發(fā)展，打擊精度日益提高，對慣性器件的性能、精度、輕量化、小型化等提出了更為苛刻的要求，因此需要通過更為復(fù)雜的微小結(jié)構(gòu)、高度集成、新型材料等措施來滿足要求。但是增材制造在精密慣性產(chǎn)品制造的應(yīng)用仍處于初級階段，亟需尋求切入點(diǎn)，以特種材料與結(jié)構(gòu)慣性產(chǎn)品集成性能的提升為目標(biāo)，面向未來，實(shí)現(xiàn)跨越式的發(fā)展，如圖5所示。

圖5　增材制造技術(shù)在慣性領(lǐng)域的發(fā)展階段Fig.5 Stage of development in inertial field by additive manufacturing

3.1增材制造在慣性器件應(yīng)用上的價值

（1）徹底顛覆精密慣性技術(shù)產(chǎn)品的研究設(shè)計理念

數(shù)字化虛擬和網(wǎng)絡(luò)只是簡便了設(shè)計方法，但基于傳統(tǒng)制造的模式設(shè)計理念并沒有改變，而增材制造能夠?qū)崿F(xiàn)材料、結(jié)構(gòu)、功能、工藝一體化設(shè)計。增材制造技術(shù)不必囿于加工工藝限制，變工藝優(yōu)先為產(chǎn)品功能優(yōu)先。設(shè)計人員可快速完成樣件生產(chǎn)，省去傳統(tǒng)多次實(shí)物迭代和不得已犧牲功能適應(yīng)工藝的代價，實(shí)現(xiàn)了從“設(shè)計到設(shè)備”的研制流程變革，大幅縮短了研制周期，如圖6所示。

圖6　增材制造技術(shù)給產(chǎn)品設(shè)計帶來了革命性的提升Fig.6 Promotion of inertial devices design by additive manufacturing

基于增材制造的獨(dú)特能力，典型產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計可以由多個零件的大量膠結(jié)、焊接、螺紋配合等方式連接特點(diǎn)，進(jìn)行基于裝配的集成組合設(shè)計，可以減少零件數(shù)量，避免零件裝配誤差，提高產(chǎn)品可靠性。對慣性產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件在保證性能強(qiáng)度的前提下開展中空結(jié)構(gòu)設(shè)計，對于優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、減小質(zhì)量和體積具有重要意義。此外，增材制造技術(shù)為網(wǎng)格筋狀等仿生結(jié)構(gòu)加工提供了手段，導(dǎo)線可從金屬筋狀結(jié)構(gòu)中穿行，結(jié)構(gòu)件同時實(shí)現(xiàn)支撐走線雙功能；同時增材技術(shù)也為慣性產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的等剛度、等轉(zhuǎn)動慣量、熱膨脹系數(shù)匹配設(shè)計等提供了手段。

（2）解決慣性產(chǎn)品異形、薄壁等結(jié)構(gòu)零件制造難題

慣性技術(shù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)應(yīng)用功能決定了異型/薄壁/輕型/框架/復(fù)雜結(jié)構(gòu)是其通用特點(diǎn)，而在這些結(jié)構(gòu)形式下要保證其力學(xué)性能/各向同性/導(dǎo)熱性能/電磁屏蔽/對稱性/致密性/等動特性，傳統(tǒng)制造過程擺脫不了模具、專用工具和夾具的約束，由此使精密慣性技術(shù)產(chǎn)品制造成為國防制造業(yè)的難點(diǎn)與精密制造的標(biāo)志。如圖7所示，數(shù)字三維增材制造技術(shù)的應(yīng)用必將改善制造模式，提高產(chǎn)品精度和性能，降低產(chǎn)品研制成本，縮短研制周期，提高零件的綜合性能。

圖7　增材制造在慣性精密制造的意義Fig.7 The value of additive manufacturing

（3）解決特種金屬材料零件粉末冶金的不足

慣性器件使用特種金屬材料取代鋁合金，是公認(rèn)保證精密慣性技術(shù)產(chǎn)品性能精度的最佳選擇。但是，特種金屬材料采用熱等靜壓工藝制備，加工過程需要嚴(yán)格的防護(hù)，國內(nèi)合格供應(yīng)商唯一，周期、價格和非標(biāo)定制要求難以滿足產(chǎn)品生產(chǎn)的需求；而且特種金屬材料脆性很大，機(jī)械加工過程中易出現(xiàn)崩碎和表層微裂紋、微應(yīng)力集中等問題，制造難度大，加工精度難以保證，零件報廢率高，合格率低。研究特種材料的增材制造工藝，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的精進(jìn)成形加工技術(shù)的革命性提高，減少甚至取代機(jī)械加工工序，大幅縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。

（4）實(shí)現(xiàn)特種精密結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)—功能嵌入式制造

加溫、溫度敏感、溫度控制和磁屏蔽、電屏蔽是精密慣性技術(shù)產(chǎn)品性能精度保證的必要條件。利用數(shù)字三維增材制造技術(shù)在慣性金屬產(chǎn)品本體構(gòu)件上直接成形加熱元件、溫度敏感和控制元器件，實(shí)現(xiàn)磁屏蔽、電屏蔽功能，可在提高溫控精度、電磁屏蔽精度的同時，提升與本體結(jié)構(gòu)的結(jié)合度，避免飛線、元件貼裝工藝離散性和可靠性問題，實(shí)現(xiàn)更靈敏、更準(zhǔn)確的測量、反應(yīng)和控制以及系統(tǒng)內(nèi)部溫度和力學(xué)、電磁場等效應(yīng)特性。

3.2增材制造在慣性器件應(yīng)用面臨的問題

1）設(shè)計理念的變革踐行緩慢。增材制造技術(shù)不是單純的制造技術(shù)，設(shè)計創(chuàng)新作用尤為重要。要持續(xù)開展基于增材制造的設(shè)計研究，激發(fā)創(chuàng)造力，堅持設(shè)計與制造的協(xié)同發(fā)展，共同發(fā)揮增材制造的獨(dú)特作用和潛力。

2）增材制造技術(shù)的適應(yīng)性研究不足。慣性行業(yè)通常為高精密的機(jī)電一體化產(chǎn)品，對部分關(guān)鍵零部件的加工精度和尺寸穩(wěn)定性具有嚴(yán)苛的要求。因此，在關(guān)注零件增材制造成形精度的控制問題的同時開展加工零件的尺寸長期穩(wěn)定性研究，將很大程度上決定增材制造技術(shù)在慣性領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

3）相關(guān)應(yīng)用考核與測試條件不夠。增材制造技術(shù)作為一項新興工藝技術(shù)，存在工藝成熟度不高、個性化強(qiáng)等問題，因此要充分開展工程驗證研究，分別考核材料和工藝屬性、結(jié)構(gòu)與功能極端性能、產(chǎn)品有效性測試與評估，目前試驗、測試條件還欠缺。

4）對精密慣性技術(shù)產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)仿生化研究不夠。應(yīng)用增材制造技術(shù)在慣性產(chǎn)品制造中，必須從系統(tǒng)功能進(jìn)行分解，系統(tǒng)全面認(rèn)知、統(tǒng)籌策劃尚待深入研究［6-8］。

4 增材制造技術(shù)在精密慣性技術(shù)產(chǎn)品制造中的應(yīng)用思考

4.1精密慣性產(chǎn)品制造的特點(diǎn)與增材制造特點(diǎn)交叉融合

慣性產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中包含大量薄壁、框架、復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)，加工流程非常復(fù)雜、周期很長、加工精度難以保證，在裝配過程中存在大量精密的形位關(guān)系要求，占用了大比例研制生產(chǎn)周期。而增材制造技術(shù)是一種低成本、快速、高效、數(shù)字化的先進(jìn)制造技術(shù)，其具有三要素、六大特點(diǎn)和四大優(yōu)勢，且可以解決慣性技術(shù)產(chǎn)品制造中的5種特殊制造。但是，三維數(shù)字增材制造是一門新興制造技術(shù)，在精密慣性產(chǎn)品中應(yīng)用增材制造技術(shù)，既要“熱融合”緊跟先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展，又要“冷思考”從設(shè)計、工藝、功能、高精度、高穩(wěn)定性等方面系統(tǒng)地冷靜分析。以慣性技術(shù)產(chǎn)品特點(diǎn)為依據(jù)，以精密制造為核心，以結(jié)構(gòu)功能一體化、金塑復(fù)合一體化、輕質(zhì)匹配一體化和制造性能一體化為目標(biāo)快速啟動以點(diǎn)突破，逐步展開，形成態(tài)勢，獨(dú)樹一幟。

4.2以點(diǎn)突破、借力展開，形成態(tài)勢，沉淀慣性技術(shù)產(chǎn)品增材制造經(jīng)驗

在慣性技術(shù)產(chǎn)品中，為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品特性，薄壁、框架、異型等復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件廣泛應(yīng)用。例如:慣性觀瞄吊艙的艙體結(jié)構(gòu)根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)大小和要求分別采用有機(jī)塑料和鋁合金增材制造，成本、效率、合格率、性能、質(zhì)量均得到大幅度的提高。外罩產(chǎn)品是典型的薄壁結(jié)構(gòu)件，對材料致密度要求高，且具有多個風(fēng)扇安裝窗口和多條散熱流道，采用基于增材制造的理想化設(shè)計改進(jìn)，制成新一代優(yōu)化產(chǎn)品，對提升產(chǎn)品性能起到很好的作用，加工周期由4個月縮短為1個月，且零件性能與鍛件相當(dāng)，如圖8所示。輕量化設(shè)計制造方面，完成了部分典型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件的輕量化設(shè)計和制造，零件減重1/3。綜上所述，可以明顯看到增材制造效果和價值。

圖8　外罩產(chǎn)品模型圖Fig.8 The model of cover

4.3把握機(jī)遇、系統(tǒng)策劃，盡快完成增材制造在慣性行業(yè)的應(yīng)用突破

增材制造在航天制造尤其是慣性產(chǎn)品制造的應(yīng)用才剛剛起步，應(yīng)結(jié)合慣性器件關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件對加工精度、尺寸長期穩(wěn)定性的高要求，盡快組織國內(nèi)優(yōu)勢單位組成產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合的研發(fā)團(tuán)隊，針對性地開展增材制造精密構(gòu)件的技術(shù)基礎(chǔ)研究以及該技術(shù)在慣性器件關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用研究，盡快取得技術(shù)突破，實(shí)現(xiàn)材料性能結(jié)構(gòu)功能工藝制造一體化設(shè)計，如圖9所示。

圖9　一體化設(shè)計邏輯圖Fig.9 The logic of integrative design

面對物聯(lián)網(wǎng)+和大數(shù)據(jù)，針對慣性精密結(jié)構(gòu)體的國防功能需求，多維多層級多尺度多場效應(yīng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提升材料屬性、功能結(jié)構(gòu)、制造工藝一體化設(shè)計理念思維、方法技術(shù)，為該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

以慣性技術(shù)產(chǎn)品為代表的典型精密結(jié)構(gòu)體已經(jīng)成為國防及國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)各行業(yè)中運(yùn)動信息感知測量的核心，是國防和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的高技術(shù)新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。歷史賦予慣性技術(shù)精密制造光榮而艱巨的使命和責(zé)任。一代先進(jìn)制造技術(shù)，必將復(fù)興一代產(chǎn)業(yè)，必然孕育一代高新技術(shù)國防裝備。先進(jìn)的增材制造技術(shù)在精密慣性技術(shù)制造中的應(yīng)用，必然推動一代精密超精密制造進(jìn)步，支撐一代先進(jìn)慣性技術(shù)型號產(chǎn)品的革命復(fù)興。順應(yīng)新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)發(fā)展大潮，遵循精密超精密制造客觀科學(xué)規(guī)律，深刻剖析產(chǎn)業(yè)深層次技術(shù)矛盾問題，正視信息化快速發(fā)展和精密制造內(nèi)在關(guān)系。有效抓住國家推進(jìn)制造業(yè)升級改造的有利契機(jī)，積極推進(jìn)精密慣性技術(shù)產(chǎn)品制造的高端化、智能化、綠色化、服務(wù)化進(jìn)步和革命性轉(zhuǎn)化，創(chuàng)造我國慣性技術(shù)精密超精密制造技術(shù)新輝煌。

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Research on Additive Manufacturing and Precision Inertial Devices Manufacturing

YUAN Yuan，ZHANG Lu，TANG Zhao-fang，XU Zhi-qiang，LIU Jun-li
（Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039）

Inertial technology has become one of the key technologies for the measurement and sensitivity of the motion information in the national defense and economic construction.And mechanical fabrication is the largest bottleneck that affects the sensitivity and efficiency promotion of the inertial devices.In recent years，additive manufacturing（3D printing technique）with the typical digital fabrication，have overthrew the traditional manufacturing techniques and brought revolutionary progress from the material choices to the construction design for the whole manufacturing field.In this paper，we will introduce the basic concept of 3D printing technique and its developing status in china and abroad firstly，and then discuss the possibility of its application in the inertial device production as well as the potential industrial values by the additive manufacturing.We appeal more scientists and engineers to join the team to take use of the 3D printing technique in inertial device manufacturing so as to promote the quality and performances of the inertial devices more effectively.

inertial technology；additive manufacturing；precision construction component；optimum design

U666.1

A

1674-5558（2016）07-01295

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.05.003

袁媛，女，碩士，高級工程師，研究方向為增材制造。

2016-07-26