冬奥火炬能耐800℃：3D打印、碳纤维、高温阻燃树脂实现多项创新

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1200支由上海石化牵头研发、量产的冬奥“飞扬”火炬已运抵北京，并将于2月2日开始传递。冬奥火炬“飞扬”科技含量极高，首次采用耐高温碳纤维复合材料、氢能源作燃料、3D打印一次成型坯件等，实现了材料创新、能源创新和工艺创新。

据3D打印技术参考了解，奥会火炬由外飘带、内飘带和燃烧系统组成，分别于上海基地、广东基地、陕西基地分部件集约而成。在工业制造领域，冬奥火炬可谓是皇冠上的宝石，精品中的精品。本期，3D打印技术参考介绍火炬背后的制造材料和工艺。

火炬外飘带——碳纤维+三维编织+高温阻燃树脂

材料选择给技术人员带来了不小的挑战，什么材料既能满足设计的艺术性，又能在使用中经受住强度和耐用性的考验，还能够实现批量化生产呢？

技术人员最终将目光投向了一种新材料——碳纤维与高温阻燃树脂。

碳纤维的质量只有钢的1/4左右，但强度是钢的7-9倍。上海石化采用三维编织技术，实现了碳纤维成型当中的一个技术突破，每一条黑色丝束都包含着12000根碳纤维丝。

来源： N视频

碳纤维就好比一层布料，需要“骨架”支撑才能更好塑形，但一般树脂和碳纤维复合材料只能经受200℃左右的温度，而火炬燃烧口则必须经受住800℃以上的高温。制造团队为攻克耐燃烧耐高温难题，采用库贝化学（上海）有限公司的第三代聚硅氮烷树脂，最高能经受住1200℃的高温，而氢气燃烧温度一般为800℃。

碳纤维三维编织

全新设计的碳纤维复合材料解决了其在极端条件下的应用瓶颈，而且不会和之前火炬外壳一样，在1000℃高温制备过程中起泡、开裂。安全可靠性高，可抗风10级，可在极寒天气中使用，减压比高达几百倍，同时兼顾了轻量化小型化外形匹配要求。另外，冬季火炬传递时天气很冷，传统金属材料手感不太好，复合材料可以很好地解决这个问题。

火炬外飘带进行燃烧测试

冬奥火炬组成：内飘带、外飘带和燃烧系统（来源：新华体育）

上海石化及其合作团队逐一攻克多项技术难题，形成了从碳纤维生产、复合材料制备到产品终端应用的一站式解决方案，解决了碳纤维复合材料耐高温、耐燃烧，以及采用氢气为燃料这两大难题，并形成了三项科技创新亮点：一是以碳纤维复合材料制作火炬外壳，成为世界首创；二是碳纤维复合材料实现了燃烧温度大于800℃氢气燃烧环境下正常使用；三是重量较铝合金外壳轻20%以上，呈现出了“轻、固、美”的特点。

火炬内飘带——3D打印+铝合金+纳米陶瓷涂层

据3D打印技术参考了解到的信息，2008年北京奥运会祥云火炬外壳采用了轻薄高品质的铝合金。据2022年冬奥会火炬总装单位中石化上海石化创新研究院总经理林生兵介绍，此次冬奥火炬内飘带同样是铝合金材料，同时，根据南方都市报的报道，内飘带的制造采用的是3D打印工艺。但如何实现质地顺滑，南都记者特地前往负责生产冬奥火炬内飘带和火种灯、仪式火种台等周边配套产品企业的广东中山加工基地进行了实地探访，以下内容来自南方都市报获取的信息。

火炬内飘带生产团队于2021年8月接到生产任务后，便开始了工艺流程的攻关。总工程师罗添翼介绍，“3D打印的材质本身是粗糙的表面，在其它产品上，可能故意留着粗糙表面以表现3D打印的‘原汁原味’，但在内飘带的生产上则相反。”罗添翼表示，根据要求，他们要在3D打印材质上“中国红”，并且要表现出在天安门广场上见到那种“国旗在空中飘扬”的感觉，丝绸般的顺滑质感，100%还原设计师的“飘”和“亮”的理念。“刚开始接到这个任务，真的很难。”

来源：N视频

“冬奥会的火炬是新能源和艺术的完美融合，也是新材质与传统工艺的完美融合。”要克服3D打印材质到成品的丝滑感需要采用传统手工工艺，用工匠做工艺品级别的手艺来量产工业品。

为了实现内飘带“丝滑”， 罗添翼在中山小榄、佛山顺德、江门等地甄选出最好的材料打磨厂。“工艺品之所以值钱，浓缩的是工匠手工的矜贵，但工艺品不可能每一件都一样，不同师傅做出来肯定有差别。现在要量产的工业品，要求1个到100个，100个到1000个都是一样的标准。怎么做到呢？”

攻关之初，罗添翼自己在上游打磨厂的车间里琢磨了好几天，把不规则螺旋型结构又带波浪纹（典型的3D打印层纹）的内飘带3D打印坯件摸透，做出来最先几个合格品，然后他着手编写精确到秒和力度的工作手册，分发给打磨生产线上的师傅，培训—试制，攻克坯件打磨到抛光关键前端节点。

对火炬内飘带进行喷砂和喷漆

但打磨还只是其中一个生产环节。回到生产厂房，则更多细节的流水线作业需要处理。3D打印坯件打磨--抛光之后，内飘带要经过表面糙化、除尘、预热、涂敷、烘烤等一系列流水线工序。

生产团队利用本身的聚能燃烧燃气炉头生产流水线为内飘带的生产做减法，再做加法。局部把全自动化生产线改造为半自动化生产线，拆除机械部件，这是减法；再在流水线节点上把手工糙化、手工涂敷支架改造等特制组件安装上去，这则是加法。而这两个手工完成的节点不但需要硬件上的拆和装，又需要先通过试制试产，编写工艺手册，再岗位培训等一系列动作。最终成功让流水线运转起来，达到工业化量产水平。

飞扬火炬蕴含众多高科技

火炬内飘带成品要求有丝绸飘逸质感，纳米级陶瓷涂层厚度，耐受800-1000度高温5-10分钟。3D打印技术参考此前曾介绍过，将热障涂层沉积在耐高温金属或超合金的表面，对于基底材料可起到隔热作用，降低基底温度，可以使发动机的叶片等零件在高温下继续发挥作用。

END

据3D打印技术参考了解，奥运火炬外飘带由中核集团核八所和云路复材公司联合生产；火炬内部的燃烧系统内飘带，由北京圣火传承科技公司生产；氢气瓶由航天科工海鹰空天材料研究院生产；氢气瓶的减压阀由北京安卓泰克生产；氢气瓶的充气和检测由航天科技101所负责；上海石化承担北京冬奥会火炬量产任务，是整个产业链的链长，负责统筹工作。

2月2日，冬奥火炬将开始传递，这枚蕴含高科技的冬奥火炬着实颠覆了笔者的认知，若非细细查究其制造过程，我们将忽视了其在制造过程中所涉及到的3D打印、三维编织、碳纤维、耐高温阻燃树脂等一系列高科技材料和工艺。这些材料和技术将来会在大飞机、光伏、风电以及汽车等更广阔的范围内获得应用。