【增材设计】用于航天器的钛镶件：使用金属3D打印减重66％

案例分享

将每一公斤物品运入卫星轨道的费用约为20,000美元。因此，节省的每一克都有助于提高空间探索的效率。Materialise与全球数字服务领导厂商Atos的工程部门共同合作，“重新发明”一个广泛应用于卫星的钛金属镶件。

在设计或制造航天器部件时，最大的挑战就是优化重量，而且这不能以牺牲部件强度或性能为代价。Materialise与全球数字服务领导厂商Atos的工程部门共同合作，旨在“重新发明”一个广泛用于航空航天领域的钛镶件，用于在卫星等结构中传递高机械载荷。凭借精巧的优化设计并通过金属3D打印，新型钛金属镶件重量仅为原来的三分之一，还加入了一些改进的特性。

镶件置入夹层板结构

这些镶件通常作为安装点，用来将各种设备与卫星连接起来。这样的镶件通常承受很高的负载，需要提升起又大又重的结构。这意味着它们必须表现出很高的强度-重量比：这个部件必须具有很高的强度和刚性，同时重量又必须非常轻。这些镶件被置入在航空航天结构中很常见的复合结构夹层板里共同固化，通过与夹层板的粘合将载荷转移。

传统的镶件通常采用铝或钛制作，通过机加工制造，做成砖块的形状。它们的质量和成本都很高，因为其内部完全是实体。除了材料的高成本之外，重型部件还会增加每次发射时航天器的运营成本。

然而，金属3D打印可以解决这些问题，并且使用相同的材料：铝和钛。

利用3D打印优化设计

工程师面临着改变传统思维的挑战。这个设计旨在满足从概念阶段到制造阶段的所有要求。Atos依靠在航空航天工程和结构仿真方面的专业知识，从内到外设计了这个新型部件，提高了其整体性能。

通过3D打印，物体的内部空间可以采用中空或轻量化结构设计。Materialise和Atos的工程师从减少部件内部的材料使用量入手，研发团队采用拓扑优化和晶格结构设计等先进技术，将镶件质量从1454克减少到500克。

除了减轻重量外，团队还解决了原始设计中的热弹性应力问题。由于这些镶件在夹板的碳纤维增强聚合物固化过程中已经被安装，因此会受到热弹性应力。优化设计降低了这些应力带来的影响并改善了载荷的分布，从而延长了镶件的使用寿命。

钛镶件的横截面展示了内部的轻量化结构

在不莱梅的Materialise金属3D打印工厂运用了这个新设计制造了两个钛合金（TiAl6V4）镶件。作为Materialise的金属3D打印中心，这个工厂已通过诸如此类的项目展示了其在生产和软件开发中的先进制造能力。金属3D 打印也已经证明其在航空领域的巨大潜力，因为先前没有任何的手段可以达到如此之快的交付时间。

Marta García-Cosío，Atos西班牙机械工程总监这样评价：“减轻重量将有助于提高卫星设备的有效载荷，并大量节省每次发射成本。正是由于在如此短的时间内，在金属增材制造领域创造出这种高度复杂的产品，使得Atos和Materialise成为金属3D打印解决方案供应商中的佼佼者。我们对这一创新感到非常的自豪。”

通过这个成功的项目以及它所体现的研究成果，我们期待着进一步扩大在航空航天领域使用3D打印的金属部件。