黄卫东：国产大飞机C919, 3D打印大显身手
当下3D打印技术应用的主要领域就是包括国产大飞机零部件、舰载机起落架等重要核心零部件在内的航空航天。西北工业大学凝固技术国家重点实验室，是我国3D打印技术研发最出色的单位之一，主要发展名为“激光立体成形”的3D打印技术。该技术通过激光融化金属粉末，几乎可以“打印”任何形状的产品。其最大的特点是，使用的材料为金属，“打印”的产品具有极高的力学性能，能满足多种用途。
随着航空航天技术的发展，零件构造越来越复杂，力学性能要求越来越高，重量要求却越来越轻，通过传统工艺很难突破，而3D打印则可以满足这些需求。为国产大飞机C919制造中央翼缘条，是3D打印技术在航空领域应用的典型。C919的中央翼缘条是一个长达3米的大型钛合金结构件。作为机翼的关键部件，以我国现有制造能力依然无法满足需求。如果向国外采购，势必会影响大飞机的国产化率。西北工业大学与中国商用飞机有限公司合作，应用激光立体成形技术解决了C919飞机钛合金结构件的制造问题。
黄卫东，西北工业大学教授
激光立体成形制造成本与国外锻压制造成本相差不多，但最重要的是形成了具有自主知识产权特色的新技术。这项技术在航空航天发动机等关键部件的制造上也得到了运用。
西工大3D打印技术对零部件的修复也可谓独树一帜。航空航天零件结构复杂、成本高昂，一旦出现瑕疵或缺损，只能整体更换，可能造成上百万损失。而通过3D打印技术，可以用同一材料将缺损部位修补成完整形状，修复后的性能不受影响，大大节约了时间和金钱。
3D打印技术正在成为发达国家实现制造业回流、提升产业竞争力的重要载体。可以说，新一轮的全球制造业竞争，极有可能是3D打印与机器人等高端装备的竞争。以3D打印为代表的数字化、智能化制造以及新型材料的应用将重塑制造业和服务业的关系，重塑国家和地区，重塑经济发展格局，加快第三次工业革命的进程。
当下，无论是航空航天、原型制造、医疗、创意产业还是时尚、建筑产业，都在被3D打印技术这种颠覆传统的制造方式、全新理念和创新技术所唤醒。
锁红波：直面国内外增材制造技术差距
增材制造是一种根据三维数据将材料连接以制造物体的过程，相对于传统的“减材”制造，它通常是逐层累加过程，由此衍生出了一系列金属、非金属、生物制造的技术。在这么多技术中，哪一种在军工领域需求最为迫切、应用最为广泛是我们最关注的问题。
对比在国防军工领域主要应用的增材制造方法，目前使用最多的、需求最迫切的还是激光、电子束、等粒子弧等金属直接制造技术。这金属直接制造技术中，航空应用按使用对象不同，大致可分为两大类。一类是大型承力结构的高效成形技术，第二大类是小型复杂功能结构的精密成形技术。事实上，包括电子成型和激光成型这类的金属成型技术，它的源头是连接技术。任何可控的热源，能够把材料连接在一起，都可以称之为增材制造技术。
锁红波，中航工业北京航空制造工程研究所增材制造部部长
在大型承力结构的高效成型技术中，发展较好的一种是激光直接沉积成形技术（DMD）。它的原理是在惰性气体氛围中，激光熔化同步送进的金属粉末，进入融池并逐层堆积制造零件。主要用于修复大结构的成形，同时也能用于修复小结构。另一种则是电子束熔丝沉积成形技术（EBF3），这种技术在国内研究较少，在美国相对知名度较高。它的原理是在真空环境下，用电子束融化同步送进的金属丝材进入融池堆积成形。
两种技术对比之下，电子束成形速度是激光技术的几倍，且电子束在真空中成形，不存在杂质污染的问题。总结而言，两种技术制造的都是零件毛坯，后续还需要机械加工，电子束熔丝沉积成形具有速度快、内部质量高的特点，适用于大型结构的高效、低成本制造。
第二大类中小型复杂功能结构的精密成形技术分为激光选区熔化技术（SLM）和电子束选区熔化技术（EBM），它们选取融化的热源不同，前者是在氩气保护环境中，后者则是在真空保护环境中，制造出的零件仅需表面抛光，甚至无需处理就可以使用。
除在军工领域外，我们也结合航空制造的需求，列出了增材制造对武器装备的促进作用。
首先，增材制造技术能够促进设计思想的革命，支撑全新的设计理念。我们常遇到设计人员在设计前先询问是否能实现设计？用哪种技术来实现？现在增材制造很大程度上能减小因工艺制造或结构的复杂程度带给设计者的束缚。举例来说，以前飞机的一个零件、一个机体结构，需要数十个零件组成，还需考虑装配、连接、加工等一系列问题。现在通过增材制造，可以把数十个零件组建成一个零件。我们的目标就是把整个飞机的后机身用一个零件完成。
其次是可以实现先进的“混合制造”思想。实际上最早的增材制造来源于混合制造。例如国内通过数控技术加工的飞机零件，国外通过混合制造工艺，能大大提高加工效率，保证质量的同时也提升了竞争力。
第三则是可以实现快速反应，敏捷制造。增材制造技术无需预投工装模具，加工柔性良好，反应敏捷可即时调整制造方案，实现快速响应制造。许多原本要花费长时间制造的飞机，利用增材制造技术，在短短1-2年内就可以起飞。最后一点，也是最常见的一点就是实现缺损零件的修复。
针对国外应用领域的情况而言，政府的高度重视以及需求的逐步扩大，致使增材制造技术发展迅猛且实力突出。据了解，欧洲于2007年成立了“大型航空零件快速制造中心”，积极推动了增材制造技术在航空领域的应用。美国在此方面也制定了大量的战略部署，成立了增材创意制造中心。另外，欧洲国家的小型结构精密增材制造技术已处于世界领先水平，空客、罗•罗、EADS等公司在飞机及发动机上已有应用。
而在国内，我们的总体技术水平处于模型制作向零部件直接制造过渡的态势，在直接制造高性能塑料盒金属零件方面发展非常迅猛，总体上有很大的上升空间。增材制造技术也在典型的关键领域中开展了局部应用。例如，北航、西工大等已实现多种激光成形结构件在军机、C919客机等多个型号上的装机验证和应用。
但与国外相比仍存在一些差距，这些差距是需要我们直视并面对的。首先是缺乏理论研究，我们主要关注于应用，理论研究则主要集中于高校，在广度和深度上都比较欠缺。二是关键共性技术研究不足。三是对材料的研究薄弱，先进材料大多为国外研制。四是整体装配性能低于国外水平，大部分增材制造工艺装备国内都有研制，但在成形精度和智能化程度上与国外相比有所差距。最后是核心元器件依赖国外进口，难以形成本土化产业。
转载请注明出处。
相关文章
热门资讯
精彩导读
关注我们
