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3D打印在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用優(yōu)勢

2022-01-24 10:09:45

作為第三次工業(yè)革命制造領(lǐng)域的典型代表技術(shù)，3D打印的發(fā)展時刻受到各界的廣泛關(guān)注。而金屬高性能增材制造技術(shù)(金屬3D打印技術(shù))被行內(nèi)專家視為3D打印領(lǐng)域高難度、高標準的發(fā)展分支，在工業(yè)制造中有著舉足輕重的地位。現(xiàn)如今，世界各國工業(yè)制造企業(yè)都在大力研發(fā)金屬增材制造技術(shù)，尤其是航空航天制造企業(yè)，更是不惜耗費大量財力、物力加大研發(fā)力度，以確保自己的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢。

在美國制造業(yè)回歸戰(zhàn)略以及德國工業(yè)4.0的背景衍襯下，國際環(huán)境也為3D打印提供了其成長不可或缺的營養(yǎng)。不管是美國新成立的國家增材制造中心，還是英國技術(shù)戰(zhàn)略委員會，都將航空航天作為增材制造技術(shù)的首要應(yīng)用領(lǐng)域。而在2012年10月，原中國科學(xué)院院長，全國人大委員會副委員長路甬祥曾明確表示，中國的3D技術(shù)也將首先應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。

作為工業(yè)界皇冠上的璀璨明珠，航空航天制造領(lǐng)域集成了一個國家所有的高精尖技術(shù)，是國家戰(zhàn)略計劃得以實施，政治形勢得以展現(xiàn)的后援保障領(lǐng)域。而金屬3D技術(shù)作為一項全新的制造技術(shù)，其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢突出，服務(wù)效益明顯。主要體現(xiàn)在一下幾個方面：

(1)縮短新型航空航天裝備的研發(fā)周期。

航空航天技術(shù)是國防實力的象征，也是國家政治的體現(xiàn)形式，世界各國之間競爭異常激烈。因此，各國都想試圖以更快的速度研發(fā)出更新的武器裝備，使自己在國防領(lǐng)域處于不敗之地。而金屬3D打印技術(shù)讓高性能金屬零部件，尤其是高性能大結(jié)構(gòu)件的制造流程大為縮短。無需研發(fā)零件制造過程中使用的模具，這將極大的縮短產(chǎn)品研發(fā)制造周期。

國防大學(xué)軍事后勤與軍事科技裝備教研部教授李大光表示上世紀八九十年代，要研發(fā)新一代戰(zhàn)斗機至少要花10-20年的時間，由于3D打印技術(shù)較突出的優(yōu)點是無需機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，所以如果借助3D打印技術(shù)及其他信息技術(shù)，較少只需3年時間就能研制出一款新戰(zhàn)斗機。加之該技術(shù)的高柔性，高性能靈活制造特點，以及對復(fù)雜零件的自由快速成型，金屬3D打印將在航空航天領(lǐng)域大放異彩，為國防裝備的制造提供強有力的技術(shù)支撐。

國產(chǎn)大飛機C919上的中央翼緣條零件是金屬3D打印技術(shù)的在航空領(lǐng)域的應(yīng)用典型。此結(jié)構(gòu)件長3米多，是國際上金屬3D打印出較長的航空結(jié)構(gòu)件。如果采用傳統(tǒng)制造方法，此零件需要超大噸位的壓力機鍛造而成，不但費時費力，而且浪費原材料，目前國內(nèi)還沒有能夠生產(chǎn)這種大型結(jié)構(gòu)件的設(shè)備。

所以，要想保證飛機研發(fā)進程及安全性，我們必須向國外訂購此零件，且從訂貨到裝機使用周期長達2年多時間，這嚴重阻礙了飛機的研發(fā)進度。采用金屬3D打印技術(shù)打印出的中央翼緣條，其研制時間緊一個月左右，其結(jié)構(gòu)強度達到甚至超過了鍛件使用標準，完全符合航空使用標準。金屬3D打印技術(shù)的使用在很大程度上縮短我國大飛機的研制，讓研制工作得以順利進行。

而這僅是金屬3D打印技術(shù)應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域的一個縮影而已。

(2)提高材料的利用率，節(jié)約昂貴的戰(zhàn)略材料，降低制造成本。

航空航天制造領(lǐng)域大多都是在使用價格昂貴的戰(zhàn)略材料，比如像鈦合金、鎳基高溫合金等難加工的金屬材料。傳統(tǒng)制造方法對材料的使用率很低，一般不會大于10%，甚至僅為2%-5%。材料的極大浪費也就意味著機械加工的程序復(fù)雜，生產(chǎn)時間周期長。如果是那些難加工的技術(shù)零件，加工周期會大幅度增加，制造周期明顯延長，從而造成制造成本的增加。

金屬3D打印技術(shù)作為一種近凈成型技術(shù)，只需進行少量的后續(xù)處理即可投入使用，材料的使用率達到了60%，有時甚至是達到了90%以上。這不僅降低了制造成本，節(jié)約了原材料，更是符合國家提出的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

2014年在中國科學(xué)院一個專題討論會上，北航王華明教授曾表示，中國現(xiàn)在僅需55天就可以打印出C919飛機駕駛艙玻璃窗框架。王華明還說，歐洲一家飛機制造公司表示，他們生產(chǎn)同樣的東西至少要2年，光做模具就要花200萬美元，而中國采用3D打印技術(shù)不僅縮短了生產(chǎn)周期，提高了效率，而且節(jié)省了原材料，極大地降低了生產(chǎn)成本。

(3)優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)，減輕重量，減少應(yīng)力集中，增加使用壽命。

對于航空航天武器裝備而言，減重是其永恒不變的主題。不僅可以增加飛行裝備在飛行過程中的靈活度，而且增加載重量，節(jié)省燃油，降低飛行成本。但是傳統(tǒng)的制造方法已經(jīng)將零件減重發(fā)揮到了良好，再想進一步發(fā)揮余力，已經(jīng)不太現(xiàn)實。

但是3D技術(shù)的應(yīng)用可以優(yōu)化復(fù)雜零部件的結(jié)構(gòu)，在保證性能的前提下，將復(fù)雜結(jié)構(gòu)經(jīng)變換重新設(shè)計成簡單結(jié)構(gòu)，從而起到減輕重量的效果。而且通過優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)，能使零件的應(yīng)力呈現(xiàn)出較合理化的分布，減少疲勞裂紋產(chǎn)生的危險，從而增加使用壽命。通過合理復(fù)雜的內(nèi)流道結(jié)構(gòu)實現(xiàn)溫度的控制，使設(shè)計與材料的使用達到較優(yōu)化，或者通過材料的復(fù)合實現(xiàn)零件不同部位的任意自由成型，以滿足使用標準。

戰(zhàn)機的起落架是承受高載荷，高沖擊的關(guān)鍵部位，這就需要零件具有高強度，高的抗沖擊能力。美國F16戰(zhàn)機上使用3D技術(shù)制造的起落架，不僅滿足使用標準，而且平均壽命是原來的2.5倍。

(4)零件的修復(fù)成形。

金屬3D打印技術(shù)除用于生產(chǎn)制造之外，其在金屬高性能零件修復(fù)方面的應(yīng)用價值絕不低于其制造本身。就目前情況而言，金屬3D打印技術(shù)在修復(fù)成形方面所表現(xiàn)出的潛力甚至是高于其制造本身。

以高性能整體渦輪葉盤零件為例，當盤上的某一葉片受損，則整個渦輪葉盤將報廢，直接經(jīng)濟損失價值在百萬之上。較之前，這種損失可能不可挽回，令人心痛，但是基于3D打印逐層制造的特點，我們只需將受損的葉片看作是一種特殊的基材，在受損部位進行激光立體成形，就可以回復(fù)零件形狀，且性能滿足使用要求，甚至是高于基材的使用性能。由于3D打印過程中的可控性，其修復(fù)帶來的負面影響很有限。

事實上，3D打印制造的零部件更容易得到修復(fù)，匹配性更佳。相較于其他制造技術(shù)，在3D修復(fù)過程中，由于制造工藝和修復(fù)參數(shù)的差距，很難使修復(fù)區(qū)和基材在組織、成分以及性能上保持一致性。但是在修復(fù)3D成形的零件時就不會存在這種問題了。修復(fù)過程可以看作是增材制造過程的延續(xù)，修復(fù)區(qū)與基材可以達到較優(yōu)的匹配。這就實現(xiàn)了零件制造過程的良性循環(huán)，低成本制造+低成本修復(fù)=高經(jīng)濟效益。

(5)與傳統(tǒng)制造技術(shù)相配合，互通互補。

傳統(tǒng)制造技術(shù)適用于大批量成形產(chǎn)品的生產(chǎn)，而3D打印技術(shù)則更適合個性化或者精細化結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的制造。將3D打印技術(shù)和傳統(tǒng)制造技術(shù)相結(jié)合，各取所長，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，使制造技術(shù)發(fā)揮更大的威力。

比如，對于表面要求高質(zhì)量性能，但中心要求性能一般的零件而言，可以使用傳統(tǒng)制造技術(shù)生產(chǎn)出中心形狀的零件，然后使用激光立體成型技術(shù)在這些中心零件上直接成型表面零件，這樣就生出了表面性能高，中心要求一般的零件，節(jié)省了工藝的復(fù)雜程度，減少了生產(chǎn)流程。這種互補的生產(chǎn)組合，在零部件的生產(chǎn)制造中具有重要的實際應(yīng)用價值。

再者，對于外部結(jié)構(gòu)簡單，但是內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件，其采用傳統(tǒng)制造技術(shù)制造內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)時，過程繁瑣，后續(xù)加工工序復(fù)雜這就造成了生產(chǎn)成本，延長了生產(chǎn)周期。采用外部使用傳統(tǒng)制造技術(shù)而內(nèi)部采用3D打印技術(shù)直接近凈成形，這樣只需少量后續(xù)工序就可完成產(chǎn)品的制造，這縮短了生產(chǎn)周期，降低了成本，發(fā)揮出傳統(tǒng)技術(shù)和新技術(shù)的完美匹配制造的結(jié)合，實現(xiàn)了互通互補。

航空航天作為3D打印技術(shù)的首要應(yīng)用領(lǐng)域，其技術(shù)優(yōu)勢明顯，但是這絕不是意味著金屬3D打印是無所不能的，在實際生產(chǎn)中，其技術(shù)應(yīng)用還有很多亟待決絕的問題。比如目前3D打印還無法適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)，滿足不了高精度需求，無法實現(xiàn)高效率制造等。而且，制約3D打印發(fā)展的一個關(guān)鍵因素就是其設(shè)備成本的居高不下，大多數(shù)民用領(lǐng)域還無法承擔起如此高昂的設(shè)備制造成本。但是隨著材料技術(shù)，計算機技術(shù)以及激光技術(shù)的不斷發(fā)展，制造成本將會不斷降低，滿足制造業(yè)對生產(chǎn)成本的承受能力，屆時，3D打印將會在制造領(lǐng)域綻放屬于它的光芒。

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