歐洲最先進(jìn)的宇航公司Thales Alenia Space 和 3D打印專家Poly-Shape
2016-8-16 來源：世媒公關(guān) 作者：-
歐洲最先進(jìn)的宇航公司Thales Alenia Space 和 3D打印專家Poly-Shape 制造了歐洲最大的衛(wèi)星用專業(yè) 3D 金屬打印部件
——Concept Laser LaserCUSING® 在衛(wèi)星技術(shù)中的應(yīng)用
利希滕費(fèi)爾斯（德國），2016 年 8 月 15 日——一直以來，增材制造技術(shù)都霸占著金屬加工領(lǐng)域頭條新聞的位置。這種被譽(yù)為將帶來“第三次工業(yè)革命”的 3D 金屬打印技術(shù)標(biāo)志著制造實(shí)體零件的制造方法發(fā)生了巨大的改變，也揭示了金屬零件制造模式已經(jīng)發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)變。在這種轉(zhuǎn)變之中，或在融合了傳統(tǒng)切削加工和增材制造的混合制造工藝中，增材制造技術(shù)已經(jīng)變得越來越重要。
來自Thales Alenia Space的最新消息，航空和航天工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，歐洲最先進(jìn)、最全面的宇航公司泰雷茲阿萊尼亞宇航公司（Thales Alenia Space）和法國3D 打印服務(wù)公司 Poly-Shape SAS達(dá)成合作伙伴關(guān)系，為韓國的新通信衛(wèi)星 Koreasat-5A 和 Koreasat-7 提供增材制造部件，從而也再次證實(shí)了3D金屬打印技術(shù)是數(shù)字化制造方式的創(chuàng)新推動者和先驅(qū)者地位。據(jù)了解，Koreasat-7 將于 2017 年升空進(jìn)入東 116º 的太空軌道位置，覆蓋韓國、菲律賓、印度尼西亞和印度地區(qū)；Koreasat-5A 也將于2017年第二個季度發(fā)射升空，并進(jìn)入東 113°的太空軌道位置，覆蓋韓國、日本、中南半島和中東地區(qū)。 這兩顆衛(wèi)星上的超大部件將由Thales Alenia Space和Poly-Shape合作制造完成。
據(jù)介紹，Koreasat-5A 和 Koreasat-7 的天線支架將成為迄今為止，歐洲采用基于粉末床的金屬激光熔融技術(shù)制造并送入太空軌道的最大體積零件。其尺寸為 447 x 204.5 x 391 mm3 ，重量卻只有 1.13 kg，可以稱得上是真正的輕量化部件。但對于Thales Alenia Space來說，真正的挑戰(zhàn)還是來自于部件的尺寸。該部件屬于超大型的工程部件，由法國Poly-Shape SAS 采用增材制造而成，將安裝在Koreasat-5A 和 Koreasat-7中，作為天線的基座支架，用于與地面基地進(jìn)行通信。Poly-Shape SAS 公司作為3D打印的專家，在航空和航天工業(yè)的原型制作、3D 金屬打印和組裝方面都是享有盛譽(yù)的合作伙伴。
輕量化結(jié)構(gòu)和成本縮減是主要優(yōu)勢
鋁 (Al) 在重量和導(dǎo)熱性上具有優(yōu)勢，是衛(wèi)星上最常用的金屬材料，因?yàn)樾l(wèi)星需要送入太空軌道的重量越輕越好。據(jù)Thales Alenia Space 增材制造負(fù)責(zé)人 Florence Montredon 介紹：“根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，把 1kg 重量送入太空軌道的實(shí)際成本大約是 20,000 歐元，因此每一克都要精打細(xì)算。Koreasat-5A 和 Koreasat-7這兩顆新衛(wèi)星的起飛重量都在 3,500 kg 左右。”而增材制造技術(shù)在輕量化結(jié)構(gòu)方面具有巨大的潛力。
太空應(yīng)用要求所使用的材料具有很高的強(qiáng)度、剛度和耐腐蝕性，因此Thales Alenia Space 為該增材制造部件選用了 AISi7Mg 合金。且在部件的驗(yàn)證過程中，該增材制造成品部件表現(xiàn)出了 <1 % 的低孔隙率，并最終成功通過了 Thales Alenia Space公司的動態(tài)測試。Florence Montredon表示：“增材制造的效果很顯著：與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，仿生的增材制造結(jié)構(gòu)重量減輕了 22%。更重要的是，生產(chǎn)效率極大提高的同時(shí)，成本還下降了 30%。”
30 % 的成本削減和多個因素有關(guān)。首先，消除了組裝成本：只需生產(chǎn)1個增材仿生部件，設(shè)計(jì)制造一次性完成，而此前需要生產(chǎn)9 個零件并進(jìn)行再組裝；其次，省去了使用鑄造工藝時(shí)必不可少的制模成本；以及，最令人關(guān)注的時(shí)間成本，增材制造技術(shù)可輕松，并保證如期完成和該項(xiàng)目一樣巨大產(chǎn)品的生產(chǎn)。行業(yè)里把這稱為第一時(shí)間進(jìn)入市場或搶占市場 (Time-to-Market)，業(yè)界成為起航時(shí)間 (Time-to-Fly)。
Concept Laser 的超大型機(jī)器和設(shè)備
Poly-Shape 擁有 28 臺具備不同構(gòu)造空間大小的 3D 金屬打印設(shè)備。目前，Poly-Shape 所有可使用鋁合金粉材進(jìn)行 3D 打印的設(shè)備中，構(gòu)造空間尺寸最大的是 Concept Laser 的 X line 1000R。該設(shè)備可提供 630 x 400 x 500 mm3 的構(gòu)造空間，并在惰性氣體保護(hù)下，進(jìn)行安全生產(chǎn)和粉末篩分管理，這些都是依據(jù)ATEX安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。此外，X line 1000R 還擁有一個可交替使用兩種構(gòu)造模塊的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，因此能夠保證連續(xù)生產(chǎn)、無停工時(shí)間。這種獨(dú)一無二的設(shè)備設(shè)計(jì)不僅提供了極高的時(shí)間可用性，也讓機(jī)器的加裝和拆卸操作變得簡單和安全。
其升級型號 X line 2000R 甚至擁有更大的構(gòu)造空間 (800 x 400 x 500 mm3)，目前這在全球基于粉末床的激光熔融方面都是無與倫比的。相比 X line 1000R，其有效構(gòu)造體積再次增大了約 27 %，從 126 l 增加至 160 l。此外，該升級型號使用了兩部功率各為 1,000 W的激光器。Concept Laser 的 LaserCUSING 加工工藝對該項(xiàng)目具有重大意義：Concept Laser 設(shè)備的特點(diǎn)在于對需要連續(xù)處理的切片分割（也稱為“島”）進(jìn)行隨機(jī)控制。這種專利方法可以確保在制造超大型部件時(shí)顯著降低應(yīng)力。
處理 447 x 204.5 x 391 mm3 的龐大尺寸時(shí)，毫無疑問需要最大程度地控制翹曲現(xiàn)象發(fā)生。X line 1000R 為構(gòu)造空間提供了均衡的溫度控制，避免在制造“超大型”部件時(shí)產(chǎn)生翹曲。制造大型而又復(fù)雜的仿生幾何形狀當(dāng)然是很耗費(fèi)時(shí)間的，但Concept Laser的 3D 金屬打印設(shè)備在進(jìn)行該項(xiàng)目龐大產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)只用了幾天時(shí)間。
符合工藝要求的設(shè)計(jì)
過渡到增材制造意味著設(shè)計(jì)思維也需要轉(zhuǎn)變。為了完全發(fā)揮出激光熔融的潛力，1:1 復(fù)制幾何形狀是毫無意義的。為了對 3D 部件進(jìn)行修整使其具備符合性能要求的幾何形狀、仿生和輕量化結(jié)構(gòu)，需要使用 CAE-CAD 輔助方法。Florence Montredon介紹說：“很明顯，我們已經(jīng)證實(shí)增材制造將是更多項(xiàng)目的有力競爭者。將來，我們還希望直接在 3D 結(jié)構(gòu)上或內(nèi)部置入熱控或無線電功能部件，即下一個任務(wù)是進(jìn)行功能集成。這也是根據(jù)增材制造的潛力得到的一個合乎邏輯的結(jié)果。”
結(jié)論
Koreasat-5A 和Koreasat-7 項(xiàng)目展示了超大型高精增材制造部件在太空應(yīng)用中的可行性。采用模擬仿生設(shè)計(jì)，增材制造完成的部件可將此前需要生產(chǎn)的 9 個零件削減為1個零件，一次性完成的工藝讓制造過程中不再有此前的組裝成本；同時(shí)還得到了明顯更好的輕量化結(jié)構(gòu)潛力；使用增材制造解決方案可以減去 22 % 的重量，最終重量僅 1.13 kg。在這種每一克重量都至關(guān)重要的應(yīng)用中，這是一個巨大的飛躍；3D 幾何形狀可以根據(jù)在太空軌道中的使用條件進(jìn)行優(yōu)化修整。該項(xiàng)目令人印象深刻的結(jié)果展示了增材制造在航天工業(yè)中的潛力，相信未來航空航天領(lǐng)域中肯定還將會有更多此類項(xiàng)目的出現(xiàn)。
就Koreasat-5A 和 Koreasat-7 項(xiàng)目
采訪 Thales Alenia Space 和 Poly-Shape相關(guān)負(fù)責(zé)人
受訪者：
Florence Montredon，Thales Alenia Space公司增材制造技術(shù)開發(fā)部經(jīng)理，Cannes（法國）
Stéphane Abed，Poly-Shape SAS 公司CEO，Salon de Provence（法國）
提問：貴公司的產(chǎn)品生產(chǎn)，您會選用哪種技術(shù)和制造方法？
Florence Montredon：因?yàn)樾l(wèi)星的生產(chǎn)數(shù)量以及衛(wèi)星各單個部件的生產(chǎn)數(shù)量都極少，所以 3D 打印技術(shù)是目前最理想的制造方法。而相比較而言，對于鑄造件，也就是和模具有關(guān)的制造方法則更適合于那些需要大批量制造的部件生產(chǎn)。
提問：請您簡短地介紹一下 Koreasat-5A 和Koreasat-7 項(xiàng)目。
Florence Montredon：我們希望通過制造通信衛(wèi)星 Koreasat-5A 和 Koreasat-7 證明激光熔融技術(shù)為我們的應(yīng)用開啟了大量的可能。我們這次采用3D打印技術(shù)的主要優(yōu)勢在于從設(shè)計(jì)、開發(fā)到成品的時(shí)間軸極短，且它還具有很高的經(jīng)濟(jì)性。
提問：要制造這個最大的 3D 金屬部件，都有哪些特別的挑戰(zhàn)？
Stéphane Abed：主要的問題來自于諸如可行性、翹曲角度、幾何形狀以及重量等方面的挑戰(zhàn)。但我們的設(shè)計(jì)人員可以使用 CAE/CAD 優(yōu)化工具對設(shè)計(jì)，即幾何形狀進(jìn)行符合工藝要求的優(yōu)化，同時(shí)減輕重量并滿足負(fù)載要求。
提問：為什么選擇了激光熔融技術(shù)？
Florence Montredon：激光熔融技術(shù)對于衛(wèi)星制造是一種非常有前途的制造工藝。對于極少部件的生產(chǎn)，該技術(shù)堪稱完美，不僅為輕量化結(jié)構(gòu)開辟了發(fā)揮空間，而且非常適合于高度復(fù)雜的幾何形狀。
提問：與以前的制造工藝相比，從這個采用激光熔融技術(shù)的項(xiàng)目中您獲得了哪些經(jīng)驗(yàn)？
Florence Montredon：基于粉末床的激光熔融技術(shù)很適合于對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，并能大幅減輕重量。而減輕重量是我們最重要的目標(biāo)。根據(jù)之前的經(jīng)驗(yàn)，把 1kg 重量送入太空軌道的實(shí)際成本大約是 20,000 歐元，空間法鼓勵我們減少飛行物中金屬材料的數(shù)量，因?yàn)樗鼈儠谛l(wèi)星重返大氣層時(shí)造成排放危險(xiǎn)。因此，衛(wèi)星的制造關(guān)系到輕量化結(jié)構(gòu)、可持續(xù)發(fā)展和環(huán)保等一系列問題。當(dāng)然，我們也希望這種技術(shù)能帶來成本縮減，并在航天任務(wù)緊湊的時(shí)間表中確立優(yōu)勢。和此前包含組裝工作的傳統(tǒng)解決方案相比，本次項(xiàng)目的成本縮減潛力達(dá)到了約 30 %。
提問：為什么選擇了 Concept Laser 的設(shè)備？
Stéphane Abed：這里選用 Concept Laser 設(shè)備特別合適，因?yàn)檫@臺機(jī)器是獨(dú)一無二的，它為 3D 金屬打印提供了必要的構(gòu)造空間。因?yàn)閷τ诔笮筒考瞬捎眠B接技術(shù)對零件進(jìn)行連接外，目前沒有其他替代方案可用。然而，連接技術(shù)意味著出現(xiàn)薄弱部位，而且連接時(shí)還可能會出現(xiàn)損壞。但使用激光熔融的一次性制造方式則不會存在這種情況，而且最重要的是，制造成一個零件還可以讓我們更快達(dá)到目標(biāo)。
提問：您在項(xiàng)目中獲得了哪些新的經(jīng)驗(yàn)？
Stéphane Abed：3D金屬打印強(qiáng)制要求設(shè)計(jì)要符合工藝要求，這樣才能完全發(fā)揮出數(shù)字化方法的優(yōu)勢。在幾何形狀自由度方面，它擁有巨大的優(yōu)勢，而傳統(tǒng)的制造技術(shù)完全無法比擬。數(shù)字化零件具有不同的外觀，性能更強(qiáng)，并且有著越來越輕的趨勢。在特定的批量范圍內(nèi)，我的意思是在中小批量中，它經(jīng)常是更經(jīng)濟(jì)的替代方案。但是這個界限在逐年上移，增材制造適合的范圍在不斷擴(kuò)大。毫無疑問，Thales Alenia Space 的任務(wù)對整個團(tuán)隊(duì)都是一個特殊的挑戰(zhàn)，但這也是優(yōu)勢，我們在設(shè)計(jì)、開發(fā)和過程設(shè)計(jì)方面都積累了大量知識。這些知識自然而然會有益于我們來自航空和航天工業(yè)的其他客戶。我總是說：為了能夠立足于增材工藝的最前沿，這次在航空和航天工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的嘗試是很好的培訓(xùn)和練習(xí)機(jī)會。
Florence Montredon：為了能夠在高要求的航天應(yīng)用中獲得高品質(zhì)的質(zhì)量，必然要求終端用戶和制造商之間擁有穩(wěn)固的合作關(guān)系，而且合作伙伴之間必須相互信賴。另外，為了嚴(yán)格遵守時(shí)間表，Thales Alenia Space 和 Poly-Shape 之間的緊密合作和互動也是必不可少的，團(tuán)隊(duì)合作和溝通交流非常重要。
提問：功能集成是否在項(xiàng)目中起到了作用？您認(rèn)為它未來的前景如何？
Stéphane Abed：這個 3D 鋁制零件取代了此前設(shè)計(jì)的 9 個零件。舊設(shè)計(jì)是對兩塊夾心式蜂窩板以及金屬嵌件和銑削腹板進(jìn)行組合，通過螺栓和粘貼進(jìn)行安裝。現(xiàn)在，我們可以通過一次性制造的單一部件塑造出這種附帶組裝成本的結(jié)構(gòu)。
圖1：太空軌道中歐洲最大的增材制造部件：衛(wèi)星的鋁制天線支架（尺寸：x:447mm; y:204.5 mm; z:391 mm – 除去構(gòu)造板高度），由 Concept Laser 的 X line 1000R 制造。[圖片來源：Thales Alenia Space]
圖 2：法國Thales Alenia Space公司增材制造技術(shù)開發(fā)部經(jīng)理Florence Montredon說 ：“我認(rèn)為3D 金屬打印為新產(chǎn)品提供了非常綜合的功能方法基礎(chǔ)。”[圖片來源：Thales Alenia Space]
圖3：法國Poly-Shape SAS公司CEO Stéphane Abed表示：“3D 金屬打印強(qiáng)制要求設(shè)計(jì)要符合工藝要求，這樣才能完全發(fā)揮出數(shù)字化方法的優(yōu)勢。這樣制造的部件具有不同的外觀，性能更強(qiáng)，并且有著輕量化趨勢。”[圖片來源：Poly-Shape]
關(guān)于Thales Alenia Space
Thales Alenia Space，Thales (67%) 和 Finmeccanica (33%) 的合資公司，是一家活躍在太空通信、導(dǎo)航、地球觀測、勘探和太空軌道基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域內(nèi)歐洲領(lǐng)先的公司。
關(guān)于Poly-Shape
Poly-Shape SAS 是一家提供快速原型制造和小批量生產(chǎn)服務(wù)的制造商和服務(wù)供應(yīng)商。在其為客戶制定的解決方案中，使用塑料和金屬進(jìn)行增材制造扮演著重要的角色。作為一家全套服務(wù)供應(yīng)商，其服務(wù)范圍包括從設(shè)計(jì)到成品以及加工和組裝的全部內(nèi)容。
航空航天工業(yè)是 Poly-Shape 最引人關(guān)注的應(yīng)用行業(yè)，其營業(yè)額占比約 40 %。
關(guān)于Concept Laser
Concept Laser 有限公司是一家來自利希滕費(fèi)爾斯（Lichtenfels，德國）的獨(dú)立企業(yè)。公司自 2000 年成立以來，一直都是激光熔融技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新推動者，憑借獲得專利的 LaserCUSING® 技術(shù)從事跨行業(yè)的經(jīng)營活動。
LaserCUSING® 這個詞由 CONCEPT（概念）的 C、Laser（激光）和英語 FUSING（熔融）組成，描述的是這樣一種技術(shù)：該熔融方法是采用3D CAD 數(shù)據(jù)逐層生成部件的熔融技術(shù)。在這過程中，粉末狀的金屬通過高能光纖激光器發(fā)生局部熔化。冷卻后，材料凝固。反射鏡偏轉(zhuǎn)裝置（掃描器）通過對激光束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)制造出部件輪廓。通過降低構(gòu)造空間底面、重新涂敷粉末和再次熔化逐層（層厚 15 – 500 μm）構(gòu)造出部件。該方法可在不使用模具的情況下制造出復(fù)雜幾何形狀的部件，而這是常規(guī)制造方法很難或根本無法做到的。
來源：Concept Laser GmbH
Concept Laser 設(shè)備的特點(diǎn)在于對需要連續(xù)處理的切片分割（也稱為“島”）進(jìn)行隨機(jī)控制。這種專利方法可以確保在制造超大型部件時(shí)顯著降低應(yīng)力。
利用 LaserCUSING® 技術(shù)既可以制造帶有貼近輪廓的冷卻系統(tǒng)的模具嵌件，也可以直接制造飾品、醫(yī)療、牙科、汽車、航空航天行業(yè)用的部件。原型件和量產(chǎn)件皆可制造。
公司可提供標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和客戶定制的金屬激光熔融設(shè)備方案。在 Concept Laser 公司，全方位服務(wù)（Full Service）這一選項(xiàng)意味著：客戶可以購買金屬激光熔融設(shè)備，也可以直接利用公司的服務(wù)和開發(fā)能力。
Concept Laser 的激光加工設(shè)備可加工不銹鋼、熱作鋼、鈷鉻合金、鎳基合金粉末材料以及像鋁合金和鈦合金這樣的活性金屬粉末材料。公司也可提供用于制作飾品的貴金屬，例如金合金或者銀合金。
LaserCUSING® 為眾多行業(yè)在進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性和速度方面開辟了新的前景，這些行業(yè)包括：
• 醫(yī)療和牙科
• 航空航天工業(yè)
• 刀具與模具制造
• 汽車制造與賽車運(yùn)動
• 飾品
• 機(jī)械制造
這些設(shè)備可縮短開發(fā)時(shí)間并明顯減少開發(fā)成本，同時(shí)在產(chǎn)品開發(fā)過程中又具有明顯更高的靈活性。
Concept Laser 公司的高質(zhì)量要求、經(jīng)驗(yàn)水平和參考案例彰顯了其解決方案的工藝穩(wěn)定性和成本效益，這些方案的效率也經(jīng)過了日常生產(chǎn)的證實(shí)并以降低單位成本為首要目標(biāo)。
Concept Laser 的 LaserCUSING® 藝術(shù)
金屬激光熔融創(chuàng)意的應(yīng)用領(lǐng)域：汽車制造和賽車運(yùn)動、航空航天工業(yè)、醫(yī)療和牙科、刀具和模具制造、飾品以及機(jī)械制造。
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