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哈工大团队研发多功能结构设计与原位制造技术,助力航天领域发展 Engineering |
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论文标题:Design and In Situ Additive Manufacturing of Multifunctional Structures
期刊:Engineering
DOI:https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.11.009
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哈尔滨工业大学乔菁、李隆球等科研团队在中国工程院院刊《Engineering》发表题为 “Design and In Situ Additive Manufacturing of Multifunctional Structures” 的研究性文章。该研究提出了一套定制化设计和制造多功能结构的系统方法,为高性能设计和先进制造提供了重要支撑,在航天领域展现出广阔应用前景。乔菁、李隆球为通讯作者
多功能结构能将多种功能集成于单一结构,在航空航天等领域意义重大。以卫星为例,其结构需具备支撑、散热、保障电子设备连接和保护器件等多种功能。然而,传统多功能结构设计和制造存在诸多问题,如缺乏质量控制、制造工艺复杂等,难以满足新兴产业需求。
针对这些问题,研究团队基于 “为了制造而设计” 的理念,采用分层调控原理设计出典型的多功能面板结构。该结构集成了机械承载、电气、导热和辐射屏蔽等多种功能,通过建立优化模型确定各层厚度参数,有效提升了结构性能。在制造方面,团队开发了高温原位增材制造技术,利用高温同轴挤出设备,可打印多种金属丝和碳纤维增强的高熔点聚醚醚酮复合材料。这一技术不仅简化了制造过程,还能打印大直径、多类型金属丝增强复合结构。

图 1. 多功能结构的概念设计与描述。(a)航天多功能结构的概念设计:单一多功能结构设计,制造和多功能结构板组装构成的卫星。(b)多功能结构的功能配置与结构爆炸图,其中数字 1~5 表示功能层的类型顺序。(c)多功能结构工艺设计描述。I/O:输入/输出;CF:碳纤维。
研究人员对制造的多功能结构进行了全面性能测试。力学和电学性能测试表明,该结构在弯曲载荷下刚度比纯树脂基板高 21.5% 且质量更轻,嵌入的电子器件在结构弹性变形阶段仍能正常工作;热学特性分析显示,其等效热导率相比纯树脂基板提高了 568%,有利于内部器件散热;辐射屏蔽计算结果显示,对质子辐射的屏蔽能力增强了 27.9%,能有效保护内部电子器件。
此外,团队以多功能结构为基础,研制了模块化拼装的卫星模型。该模型集成了传感器检测、无线数据传输、能量供应等模块,通过即插即用原则快速组装,可远程监测环境状态数据并上传至云端。这一成果为卫星快速组装和维护提供了新的技术方案。
该研究成果为快速构建满足特定需求的功能结构提供了技术基础,未来在航天领域,有望简化航天器实现过程、延长使用寿命并降低维护成本,推动高端装备的功能拓展和性能提升。
文章信息:
Design and In Situ Additive Manufacturing of Multifunctional Structures
多功能结构设计与原位制造
作者:
张岩, 张广玉, 乔菁*, 李隆球*
引用:
Yan Zhang, Guangyu Zhang, Jing Qiao, Longqiu Li. Design and In Situ Additive Manufacturing of Multifunctional Structures. Engineering, 2023, 28(9): 58–68
开放获取论文:
https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.11.009
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