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歐（ōu）洲最先進的宇（yǔ）航公司Thales Alenia Space 和 3D打印專家Poly-Shape

2016-8-16 來源：世媒（méi）公關作者：-

歐洲最先進的（de）宇航公司Thales Alenia Space 和 3D打印專家Poly-Shape 製造了歐洲最大的衛星（xīng）用專業 3D 金（jīn）屬打印部（bù）件

——Concept Laser LaserCUSING® 在衛星技術中的應用

利希滕費爾斯（德國），2016 年 8 月 15 日——一直以來（lái），增材製造技術都霸占著金屬加工領域頭條新聞的位置（zhì）。這種（zhǒng）被（bèi）譽為將帶來“第三（sān）次工業革命”的 3D 金（jīn）屬打印技（jì）術標誌著製造實體零件的製（zhì）造方法發生了（le）巨（jù）大的（de）改變，也揭（jiē）示了金（jīn）屬零件製造模式已（yǐ）經發生了根本性的轉（zhuǎn）變。在這種轉變（biàn）之中，或在融合（hé）了傳統切削加工和增材製造的混（hún）合製造工藝中（zhōng），增材製（zhì）造技術已經變得越來越重要。

來自Thales Alenia Space的最新消息，航空和航天工（gōng）業領域內，歐洲最先進（jìn）、最全麵的宇航公（gōng）司泰雷茲阿（ā）萊尼亞宇航公司（Thales Alenia Space）和法國3D 打印服務公司 Poly-Shape SAS達成合作夥（huǒ）伴關係，為韓國的新（xīn）通信衛星 Koreasat-5A 和（hé） Koreasat-7 提供增材製造部件，從而也再次證實了3D金屬打印技術是數字化製造方式的創新推動者（zhě）和（hé）先驅者（zhě）地位（wèi）。據（jù）了解，Koreasat-7 將於 2017 年（nián）升空進入東 116º 的太空軌（guǐ）道位置，覆蓋韓（hán）國、菲律賓、印度尼西亞和印度地區；Koreasat-5A 也將於2017年第二個季度發射升空，並進入東 113°的太空（kōng）軌道位置，覆蓋韓（hán）國、日（rì）本、中南半島和中東地區。這（zhè）兩顆（kē）衛星（xīng）上的超大部件將由（yóu）Thales Alenia Space和Poly-Shape合作製造完成。

據介紹（shào），Koreasat-5A 和 Koreasat-7 的天線支架（jià）將成為迄今為止，歐洲（zhōu）采用基於（yú）粉末床的金屬激（jī）光熔融技術製造並送入太空軌（guǐ）道的最（zuì）大（dà）體積零件。其尺寸為（wéi） 447 x 204.5 x 391 mm3 ，重量卻隻（zhī）有 1.13 kg，可以稱得上是真正的輕量化部件。但對於Thales Alenia Space來說，真正的挑戰還是來自於部件的尺寸。該部件屬於超大型（xíng）的工程部件（jiàn），由法國Poly-Shape SAS 采用（yòng）增（zēng）材製造而成，將安裝在Koreasat-5A 和 Koreasat-7中，作為天線的基座支架，用於與地麵基地進行通信（xìn）。Poly-Shape SAS 公司（sī）作為3D打印的專家，在航空和（hé）航（háng）天工業的原型製作、3D 金（jīn）屬打印和組裝方麵都是享有盛譽的合作夥伴。

輕量化結構和成本縮減是主要優勢（shì）

鋁 (Al) 在重量和導熱性上具有（yǒu）優勢，是衛星上最常用的金屬材料，因為衛星需要送入太空軌道的重量越輕越好。據Thales Alenia Space 增材製造負責人 Florence Montredon 介紹：“根據以往（wǎng）經驗，把 1kg 重量送入太空軌道的實際成本大約是 20,000 歐元（yuán），因此每一克都要精打細（xì）算。Koreasat-5A 和 Koreasat-7這兩（liǎng）顆新衛星的起飛重量都在（zài） 3,500 kg 左右。”而增材製（zhì）造技術在輕量化結（jié）構方麵具有巨大（dà）的潛力。

太空應用要求所使用的材料具有很高的強度、剛度和耐（nài）腐蝕性，因此Thales Alenia Space 為該增材製造部件選用了 AISi7Mg 合金。且在部件（jiàn）的驗證過程中，該增材製造成品部件表現出了 <1 % 的低孔（kǒng）隙（xì）率，並最終（zhōng）成功通過了 Thales Alenia Space公司的動態測試。Florence Montredon表（biǎo）示：“增材製造的效果很顯著：與傳（chuán）統結構相比，仿生的增材製造結構重量減（jiǎn）輕了 22%。更重要的是，生產效率極大提高的同時，成本還下降了 30%。”

30 % 的成本削減和多個因素有關。首先，消除了組裝成本：隻需生產1個增材仿生部件，設計製造一次性完成，而此（cǐ）前需要生產9 個零（líng）件並進行再組裝；其次，省去了使用鑄造工藝時必不可少的製模成（chéng）本；以（yǐ）及，最令（lìng）人關注的（de）時間成本，增（zēng）材（cái）製造技術可（kě）輕鬆，並保證如期完成和該項目一樣巨大（dà）產品的（de）生產。行業裏把這稱為第一時間進入市場（chǎng）或搶占市場 (Time-to-Market)，業界成為起航時間 (Time-to-Fly)。

Concept Laser 的超大型機器和設備

Poly-Shape 擁有 28 台具備不同構造（zào）空間大小的（de） 3D 金（jīn）屬打印設（shè）備。目前，Poly-Shape 所有可使用鋁（lǚ）合金（jīn）粉材進行 3D 打（dǎ）印的設備中，構造空間尺寸最大（dà）的是 Concept Laser 的 X line 1000R。該設（shè）備可提供 630 x 400 x 500 mm3 的構造空間，並在惰性氣體保護（hù）下，進（jìn）行安全生產和粉末篩（shāi）分（fèn）管理，這些都是依據ATEX安全標準設計。此外，X line 1000R 還擁有一個可交替使用（yòng）兩種構（gòu）造模塊（kuài）的旋轉機構，因此能夠保（bǎo）證連（lián）續生產、無停工時間。這種獨一（yī）無二的設備設計不僅提供（gòng）了極高的時間可用性，也讓機器（qì）的加裝和拆卸操（cāo）作變得簡單和安全。

其升級（jí）型號 X line 2000R 甚至擁有（yǒu）更大的構造空間 (800 x 400 x 500 mm3)，目前這在全球基於粉末床的激光熔（róng）融方麵（miàn）都是無與倫比的。相比 X line 1000R，其有效構造體積再次（cì）增大（dà）了約 27 %，從 126 l 增加至 160 l。此（cǐ）外，該（gāi）升級型號使用了兩部功率（lǜ）各為 1,000 W的激光（guāng）器。Concept Laser 的 LaserCUSING 加工（gōng）工藝對該項（xiàng）目（mù）具有重大意義：Concept Laser 設備的特點在於對需要連續處理的切片分割（也稱為“島”）進行隨機控製。這種專利方法可以（yǐ）確保在製造超大型部件時顯著降低應力。

處理 447 x 204.5 x 391 mm3 的龐大（dà）尺寸（cùn）時，毫無疑問需要最大程度地控製翹曲現象發生。X line 1000R 為構造（zào）空間提供了均衡的溫度控製，避免在製造“超大（dà）型”部件時（shí）產生翹曲。製造大型（xíng）而又（yòu）複（fù）雜的仿生幾（jǐ）何形狀當然是很耗費時間的，但Concept Laser的 3D 金屬（shǔ）打印設備在進行該（gāi）項目龐大產品生產時隻用了幾天時間。

符合工藝要求的設計

過渡到（dào）增材製造意味著設計思維也需要（yào）轉變。為了（le）完（wán）全（quán）發揮出激光熔融的（de）潛力，1:1 複製幾何形（xíng）狀是毫（háo）無意義的。為了對 3D 部件進行修整使其具備符合性（xìng）能要求的幾何形狀、仿生和輕量化結構，需要使用 CAE-CAD 輔助方法。Florence Montredon介紹說：“很明顯，我們已經證實增材製造將是（shì）更多項目的（de）有力（lì）競爭者。將來，我們（men）還希望直接（jiē）在（zài） 3D 結構上或內部置入熱控或無線電（diàn）功能部件，即下（xià）一個（gè）任務是進行功能集成。這也是根據增材製造的潛（qián）力得到的一個合乎邏輯的結果。”

結論

Koreasat-5A 和Koreasat-7 項目展示了超大型高（gāo）精增材製造（zào）部件在太空應（yīng）用中的可行性。采（cǎi）用模擬仿生設計，增材製造完成的部件可將此前需要生產的 9 個零件（jiàn）削減為1個（gè）零件，一次性完成的工藝讓製造過程中不再有此前的（de）組裝成本；同時還得到了明顯更好的輕量化（huà）結構潛力；使用增材製造解決方案可（kě）以（yǐ）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重要的應用中，這是（shì）一個（gè）巨大的飛躍；3D 幾何形狀可以根據在太空軌道中的使用條件進行優化修整（zhěng）。該項目令人印象深刻的結果展示了增材製造在航天工業中的（de）潛力，相信未來航空航天領域中肯定還將會有更多此類項目的出現。

就Koreasat-5A 和 Koreasat-7 項目

采訪 Thales Alenia Space 和 Poly-Shape相關負責人

受訪者：

Florence Montredon，Thales Alenia Space公司增材製造技術（shù）開發部經理，Cannes（法國）

Stéphane Abed，Poly-Shape SAS 公司（sī）CEO，Salon de Provence（法國）

提問：貴（guì）公司的（de）產品生產，您會選用哪種技術和製造方法？

Florence Montredon：因為衛星的生產數量以（yǐ）及衛星各單（dān）個部件的生產數量都極少（shǎo），所以 3D 打印技術（shù）是目（mù）前最理想的製造方法。而（ér）相比較而（ér）言，對於鑄造件，也就（jiù）是和模具有關的製造方法則更適合於那些需要（yào）大批量製造的（de）部（bù）件生產。

提問：請您簡短地（dì）介紹一下 Koreasat-5A 和Koreasat-7 項目。

Florence Montredon：我們（men）希望通過製造通信衛星 Koreasat-5A 和 Koreasat-7 證明激光熔融技術為（wéi）我們的應用開啟了大量的可能。我（wǒ）們這次采用3D打印技術（shù）的主要優勢在於從設計、開發到成品的時間軸極短，且它還具有很高（gāo）的經濟性。

提問：要製（zhì）造這個（gè）最大的 3D 金屬部件，都（dōu）有（yǒu）哪些特別的挑戰？

Stéphane Abed：主要的（de）問題來自於諸如可行（háng）性、翹曲角度、幾何形（xíng）狀以（yǐ）及重量等方麵的挑戰。但我們（men）的設計人員可以使用 CAE/CAD 優化工具（jù）對設計，即幾何形狀進行符合工藝（yì）要求的優化，同時減輕重量並滿足負載要求。

提問：為什麽選擇了激光熔融技（jì）術？

Florence Montredon：激光（guāng）熔融技（jì）術對於衛星製造是一種非常有前途的製造工（gōng）藝。對（duì）於極少部件的生產，該技術（shù）堪（kān）稱完美，不僅為輕量化結構開辟了發揮空（kōng）間，而（ér）且非常適合（hé）於高度複雜的幾何形狀。

提問：與以前的製造工藝相比，從這（zhè）個采用激光熔融技術的項目中您（nín）獲得了哪些經驗？

Florence Montredon：基於粉末床的（de）激光熔融技術（shù）很適合於對設計進行優化，並能大幅減輕重量。而減輕重量是我們最重要的目標。根據之前的經驗，把 1kg 重量送入太空軌道的（de）實際成本大（dà）約是 20,000 歐元，空間法鼓勵我們減少飛行物中金屬材（cái）料的數量（liàng），因為（wéi）它們會在衛星重返大氣層時造成排（pái）放危（wēi）險。因此，衛星的製造（zào）關係到輕量化結構（gòu）、可持續發展和環保等一係列問題。當然，我們也希望（wàng）這種技術能帶來成本縮減，並（bìng）在航天（tiān）任（rèn）務（wù）緊湊的時（shí）間表中確立優勢。和此前包含組（zǔ）裝（zhuāng）工作的傳（chuán）統解決（jué）方案相比，本次項目的成本縮減潛力達到了（le）約 30 %。

提問：為什麽選擇了（le） Concept Laser 的（de）設備？

Stéphane Abed：這裏選用 Concept Laser 設備特別合適，因為這台機器是獨一無二的，它為 3D 金屬打印提供（gòng）了必要的構造空間。因為對於超大（dà）型部件，除了（le）采（cǎi）用連接技術對零件進行連接外，目前（qián）沒有其他替代方案可用。然（rán）而，連接技（jì）術意味著出現薄弱部位，而且連（lián）接時還可能會出現損壞。但（dàn）使用激光熔融的一次性製造方式則不會存在這種情況，而且最重要的（de）是，製造成（chéng）一（yī）個零件還可以讓我們更快達到目（mù）標。

提問：您在項目中獲得了哪些新的經驗？

Stéphane Abed：3D金屬打印強（qiáng）製要求設計要（yào）符合工藝要求，這樣才能完全發揮出數字化方法的優勢。在（zài）幾何形狀自（zì）由度方麵，它擁有巨大的優（yōu）勢，而傳統的製造技術完全無法比擬。數字化零件具有不（bú）同的外觀（guān），性能更強（qiáng），並且（qiě）有著越來越輕的趨勢。在特定的批量範（fàn）圍內，我的意思是在中小（xiǎo）批量中，它經常是更經濟的替（tì）代方案。但（dàn）是這個界限在逐（zhú）年上（shàng）移，增材製（zhì）造適合的範圍在不（bú）斷擴大。毫無疑問，Thales Alenia Space 的任務對整個團隊都是（shì）一（yī）個特殊的挑戰，但這也是優勢，我們在設計、開發和過程設計（jì）方麵都積累（lèi）了大量知識。這些知識自然而然會有益於我（wǒ）們來自航空和航天工業的其他客戶。我總是說：為了能夠立（lì）足於增材工藝（yì）的最（zuì）前沿（yán），這次在（zài）航空和航天工業（yè）領域內的嚐試是很好的培訓和（hé）練習機會（huì）。

Florence Montredon：為了能夠在高要求的航天應用中獲得高品質的（de）質（zhì）量，必然要求終端用戶和製造商（shāng）之間擁有（yǒu）穩固的合（hé）作關係，而且合作夥伴之間必須相互信（xìn）賴。另（lìng）外，為了（le）嚴格遵守時間表（biǎo），Thales Alenia Space 和 Poly-Shape 之間的緊密合作和互（hù）動也是必不可少的，團隊（duì）合作（zuò）和溝通交流非（fēi）常重要。

提（tí）問：功能集成是否在項目中起到了作用？您認為它未來的前景如何？

Stéphane Abed：這個 3D 鋁製零（líng）件取代了此前設計的 9 個（gè）零件。舊設計是對（duì）兩塊夾心式（shì）蜂窩板以及金屬嵌件和銑（xǐ）削腹板進行組（zǔ）合，通過螺栓和粘貼進行安裝。現（xiàn）在，我們可以通過一次性製（zhì）造的單一部件塑造出這種附帶組裝成本的結（jié）構。

圖1：太空軌道中歐洲最大的增材製造部件：衛星（xīng）的鋁製天線支架（尺寸：x:447mm; y:204.5 mm; z:391 mm – 除去構造板高度），由 Concept Laser 的 X line 1000R 製（zhì）造。[圖片來源：Thales Alenia Space]

圖 2：法國Thales Alenia Space公司增材（cái）製造技術（shù）開發部經理Florence Montredon說：“我（wǒ）認為3D 金（jīn）屬打印為新產品提供了非常（cháng）綜合的功能方法基礎。”[圖片來源：Thales Alenia Space]

圖3：法國Poly-Shape SAS公司CEO Stéphane Abed表示（shì）：“3D 金屬打（dǎ）印強（qiáng）製（zhì）要求設計要符合工（gōng）藝要求，這樣才能完全發揮出數（shù）字化方法的優勢。這樣製造的（de）部件具有不同的外觀，性能更強（qiáng），並且有著輕量化趨勢。”[圖片來源：Poly-Shape]

關（guān）於Thales Alenia Space

Thales Alenia Space，Thales (67%) 和 Finmeccanica (33%) 的合資公司，是一家活（huó）躍在太空通信、導航、地球觀測、勘探和太空軌道基礎設施領域內歐洲（zhōu）領先的（de）公（gōng）司。

關（guān）於Poly-Shape

Poly-Shape SAS 是一家提供快速原型製造和小批（pī）量生產服務的製造商和服務供（gòng）應商。在其為客戶（hù）製定的解決方案中，使用塑料和金屬進（jìn）行增材製造扮演著重要的角色。作為一家全套服務供應商，其服務範圍包括（kuò）從設計到成品以（yǐ）及加工和組裝的全部內容。

航空航天工業是 Poly-Shape 最引人關注的應用行業，其營業額占比約（yuē） 40 %。

關於Concept Laser

Concept Laser 有限公司是一家來自（zì）利希滕（téng）費爾斯（Lichtenfels，德國）的獨立企業（yè）。公司自 2000 年成立以來，一直都是激光熔融技術領域的創新推動者，憑借獲得專利的 LaserCUSING® 技術從事跨行業的經營活動。

LaserCUSING® 這個詞由 CONCEPT（概（gài）念）的 C、Laser（激光）和英語（yǔ） FUSING（熔融）組成，描述的是這樣一（yī）種技術：該熔融方法是采（cǎi）用3D CAD 數據逐層生成部件的熔融技術。在這（zhè）過程中，粉末狀的金屬通過（guò）高能光纖激光器（qì）發生局部熔化（huà）。冷卻後，材（cái）料（liào）凝固。反射鏡偏轉裝置（掃描器）通過對激光（guāng）束進行偏轉製造出部件輪廓。通（tōng）過降低構（gòu）造空間底麵、重新塗敷粉末和再次熔化逐層（層厚 15 – 500 μm）構造出部件。該方法可（kě）在不（bú）使用模具的情況下製造出複雜幾何形（xíng）狀的部件，而這是常規製造方法很難或根本無法做（zuò）到的。

來源：Concept Laser GmbH

Concept Laser 設備的特點在（zài）於對需要連續處理的切片分割（也稱為“島”）進行（háng）隨（suí）機控製。這（zhè）種專利方法可以確保在製造超大型部件時顯著降低應力。

利用 LaserCUSING® 技術既可以製（zhì）造帶有貼近輪廓的冷卻係統的模具嵌件，也可以直接（jiē）製造飾品、醫療、牙科（kē）、汽車、航空（kōng）航天行業用的部件（jiàn）。原（yuán）型件和量產件皆可製造。

公司可提供（gòng）標準設備和客戶定（dìng）製的金屬激光熔融設備方案（àn）。在 Concept Laser 公司，全方位服務（Full Service）這一選項意味著：客戶可以（yǐ）購買（mǎi）金（jīn）屬激光熔融設（shè）備，也可以直接（jiē）利用公（gōng）司的服務和開發能力。

Concept Laser 的（de）激（jī）光加工（gōng）設備可加工不鏽鋼、熱作鋼、鈷鉻合金、鎳基合金粉末材料以（yǐ）及像鋁合金和鈦合金這樣的活性金屬粉末材料。公司也可提供用於製作飾品的貴金屬，例如金合（hé）金或者（zhě）銀合金（jīn）。

LaserCUSING® 為眾多行業在進行（háng）產品開發的經濟（jì）性和速度方麵開辟了新的前景，這些行業包括：

• 醫療和牙科

• 航空航天工業

• 刀具（jù）與模具製造（zào）

• 汽車製造與賽車運動（dòng）

• 飾品

• 機械製造（zào）

這些設備可縮短開發時間並（bìng）明顯減少開發成本，同（tóng）時在產品開發過程中（zhōng）又具有（yǒu）明（míng）顯更高的靈活性。

Concept Laser 公司的高質量要求、經驗水平和參考案例彰（zhāng）顯了（le）其（qí）解決方案的工藝穩定性和成本效益，這些方案的效率也經過了（le）日常生產的證實並以降（jiàng）低單位成本為首要目標。

Concept Laser 的 LaserCUSING® 藝術

金屬激光熔融創意的應用領域：汽車製造和賽車（chē）運動、航空航天工業、醫療和牙科、刀具和模具製造、飾（shì）品以（yǐ）及機械製造。