3D打印技術(shù)與應(yīng)用創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)航空航天事業(yè)融合發(fā)展

隨著新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合，在制造業(yè)進(jìn)入轉(zhuǎn)型升級(jí)的新時(shí)代背景下，增材制造作為航空航天領(lǐng)域的“新科技”呈現(xiàn)出融合發(fā)展的態(tài)勢(shì)。1月5日，在哈爾濱舉行的首屆中國(guó)航空航天3D打印材料及應(yīng)用制備技術(shù)博覽會(huì)暨高峰論壇上，來(lái)自全球的專(zhuān)家學(xué)者、3D打印企業(yè)代表匯聚一堂，聚焦產(chǎn)業(yè)和技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)與創(chuàng)新應(yīng)用，探討技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑，為推動(dòng)我國(guó)航空航天事業(yè)發(fā)展建言獻(xiàn)策。

高性能大型關(guān)鍵金屬結(jié)構(gòu)件增材制造技術(shù)及其對(duì)重大裝備制造業(yè)的影響
中國(guó)工程院院士，王華明院士講到，傳統(tǒng)航空航天大型關(guān)鍵金屬構(gòu)件制造技術(shù)存在重型裝備、大型模具，材料費(fèi)、周期長(zhǎng)、成本高等問(wèn)題。大型關(guān)鍵金屬構(gòu)件增材制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)就是超常冶金/快速凝固，具備高性能材料制備與復(fù)雜機(jī)構(gòu)制造一體化。無(wú)需大型鍛造及模具、短流程、低成本、短周期，材料利用率高、機(jī)械加工量少，數(shù)字制造、快速響應(yīng)、快速修復(fù)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

制約大型金屬構(gòu)件激光增材制造技術(shù)這一世界性的技術(shù)難題的四大“瓶頸”，一是如何控制熱應(yīng)力，大型構(gòu)件的成形；二是內(nèi)部質(zhì)量控制，關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)用；三是工藝過(guò)程的控制，大型成套裝備的應(yīng)用；四是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的建立。

在這四大瓶頸問(wèn)題上，北京航空航天大學(xué)王華明院士團(tuán)隊(duì)做出了響應(yīng)的技術(shù)突破，一是提出系列“內(nèi)應(yīng)力控制”理論，建立整套零件“變形開(kāi)裂預(yù)防”方法，初步解決了“難以成形大型構(gòu)件”的問(wèn)題。二是揭示凝固晶粒、內(nèi)部缺陷和顯微結(jié)構(gòu)演化機(jī)制，建立“內(nèi)部質(zhì)量主動(dòng)控制”方法，解決構(gòu)件“力學(xué)性能控制”瓶頸問(wèn)題。三是提出激光增材制造裝備系統(tǒng)新原理，研究出構(gòu)件成形能力達(dá)4X3X2m的系列化大型工程成套裝備并批量工業(yè)應(yīng)用，初步解決“大型工程成套裝備”難題。四是“產(chǎn)學(xué)研用”緊密結(jié)合，經(jīng)長(zhǎng)期試驗(yàn)和工程實(shí)踐，建立整套應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，解決了工程應(yīng)用“技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”問(wèn)題。

最后王華明院士在高性能大型關(guān)鍵金屬構(gòu)件增材制造的挑戰(zhàn)、進(jìn)展及對(duì)重大裝備制造業(yè)的影響中談到，增材制造未來(lái)將變革材料冶金技術(shù)/擺脫傳統(tǒng)冶金對(duì)材料制備及性能的原理性制約，實(shí)現(xiàn)非平衡、梯度、難熔等高性能新材料的智能制造與高性能復(fù)雜構(gòu)件的數(shù)字制造；變革重大裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能功能，實(shí)現(xiàn)超常性能、超常功能；變革制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)重大裝備大型/超大型、復(fù)雜/超復(fù)雜及多品種/小批量/批量定制化、高性能關(guān)鍵金屬構(gòu)件的快速、低成本、數(shù)字化智能制造；變革社會(huì)生產(chǎn)制造模式。

增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用
中國(guó)航天科工三院，張紅文院長(zhǎng)提出，在航天生產(chǎn)領(lǐng)域，信息化、體系化、系列化、高效與精準(zhǔn)打擊等方面的發(fā)展需求，對(duì)航天產(chǎn)品的性能、效能、可靠性、經(jīng)濟(jì)科承受性、研制周期、綠色環(huán)保等要求也越來(lái)越高，對(duì)增材制造的技術(shù)需求，特別是在航天產(chǎn)品中內(nèi)部輕量化異型精密構(gòu)件、中小型超復(fù)雜薄壁帶型腔構(gòu)件、支撐骨架+外表蒙皮的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件、艙體骨架梁框類(lèi)等大型主承力整體構(gòu)件4大類(lèi)產(chǎn)品，尤為迫切。

張紅文院長(zhǎng)介紹了航天科工集團(tuán)增材制造應(yīng)用實(shí)踐：
一是增材制造推動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)一體化，可將數(shù)十個(gè)、數(shù)百個(gè)甚至更多零件組裝的產(chǎn)品進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，3D打印一次制造出來(lái)，大大簡(jiǎn)化了制造工序；可使結(jié)構(gòu)更加緊湊，各個(gè)結(jié)構(gòu)集成的同時(shí)大大減少了質(zhì)量與體積；可節(jié)約制造和裝配成本，消除裝配誤差。使結(jié)構(gòu)功能一體化，通過(guò)最合理的復(fù)雜內(nèi)流道結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)最理想的溫度控制手段，通過(guò)不同材料復(fù)合實(shí)現(xiàn)同一零件不同部位的功能需求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)同一零件不同部位承受不同的應(yīng)力狀態(tài)，更理想的溫度控制和更優(yōu)化的力學(xué)結(jié)構(gòu)。通過(guò)最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)顯著減輕金屬結(jié)構(gòu)件的重量，從而節(jié)約昂貴的航空材料，降低加工成本，可實(shí)現(xiàn)載荷的均勻分布，提升產(chǎn)品在復(fù)雜工況條件下的可靠性與穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)重量占比的大幅下降。

二是推動(dòng)傳統(tǒng)制造技術(shù)轉(zhuǎn)型升級(jí)，通過(guò)激光組合制造技術(shù)改造升級(jí)傳統(tǒng)制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合加工形成最佳的制造策略，可以在鑄造、鍛造和機(jī)械加工等傳統(tǒng)工藝技術(shù)制造出來(lái)的零件上，任意添加精細(xì)結(jié)構(gòu)，并且使用其具有與整體制造相當(dāng)?shù)牧�學(xué)性能，同時(shí)激光增材制造技術(shù)可以制造毛坯，而后用建材制造的方法進(jìn)行后處理。

三是開(kāi)發(fā)系列化增材制造專(zhuān)用材料，目前金屬3D打印技術(shù)的首要應(yīng)用領(lǐng)域是航空航天工業(yè)，對(duì)現(xiàn)有材料的3D打印適應(yīng)性研究主要針對(duì)的是航空航天材料，如高性能鈦合金、高溫合金、超過(guò)強(qiáng)度鋼以及鋁合金等。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，鈷合金、銅合金、復(fù)合材料、梯度材料、非晶合金等材料的增材制造應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。

增材制造技術(shù)在大型民機(jī)上的應(yīng)用
中國(guó)商飛增材制造技術(shù)應(yīng)用研究中心主任，張嘉振主任提出，民用商業(yè)飛機(jī)的增材制造技術(shù)有三大需求。


一是創(chuàng)新設(shè)計(jì)需求，3D打印技術(shù)正在改變民用機(jī)的設(shè)計(jì)思維，在設(shè)計(jì)自主性和環(huán)保方面的優(yōu)勢(shì)，使其在飛機(jī)制造業(yè)中的地位日益重要。對(duì)于3D打印技術(shù)應(yīng)用于航空領(lǐng)域，已經(jīng)不再是局限于是便宜還是快的討論層面，而是研究整體性能和經(jīng)濟(jì)效益的提升所帶來(lái)競(jìng)爭(zhēng)力的提升。


二是，快速設(shè)計(jì)驗(yàn)證需求，縮短設(shè)計(jì)周期，在工業(yè)設(shè)計(jì)階段，3D打印技術(shù)低成本快速成型的特點(diǎn)可彌補(bǔ)傳統(tǒng)工藝制作周期長(zhǎng)，成本高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)師可以隨時(shí)打印出設(shè)計(jì)模型驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果。簡(jiǎn)化加工過(guò)程，可直接加工出部分結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的非受力件或受力件、艙門(mén)裝飾件等，簡(jiǎn)化加工過(guò)程。

三是，快速客戶(hù)響應(yīng)需求，如果能夠利用3D打印的快速加工特性，在現(xiàn)場(chǎng)或附近快速制造出所需航材，那么客戶(hù)的AOG航材需求將能夠迅速滿(mǎn)足。3D打印不僅可用于批量制造飛機(jī)零部件、生產(chǎn)飛機(jī)維修所需的航材，而且可以利用其快速加工的特性，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)缺少而又無(wú)法短期內(nèi)采購(gòu)到位的航材進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)制造，保障航材緊急需求。在民航維修領(lǐng)域，利用3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)飛機(jī)結(jié)構(gòu)和部件修復(fù)方法，提供快速、低成本維修，縮短飛機(jī)維修停場(chǎng)時(shí)間，降低維修成本。另外，還可以根據(jù)維修工作需求和經(jīng)驗(yàn)，利用3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)飛機(jī)維修所需的特殊工具、加工等效替代工裝，提高飛機(jī)維修工作效率、降低維修成本。

增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的研究應(yīng)用
航空工業(yè)特種加工首席專(zhuān)家、中國(guó)航空制造技術(shù)研究院副總工程師，鞏水利提出了增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的四大應(yīng)用。

一是支撐全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠制造新型結(jié)構(gòu)，促進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新，例如空間點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)輕、剛性好，散熱好等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化無(wú)應(yīng)力集中，復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式通過(guò)增材制造很容易實(shí)現(xiàn)。


二是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的“混合制造”思想，利用“增材”的特點(diǎn)，可將由多個(gè)零件連接而成的裝配組件變成單件整體結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)效率最優(yōu)化。例如飛機(jī)大型翼梁的“混合制造”對(duì)于厚度變化十分劇烈的結(jié)構(gòu)，模鍛難以保證組織性能的均勻性，通過(guò)混合制造技術(shù)，在形狀簡(jiǎn)單的鍛件上形成局部的凸起的耳片及筋條，可以大大降低成本。

三是實(shí)現(xiàn)快速制造、直接制造，增材制造技術(shù)無(wú)需預(yù)投工裝模具、加工柔韌性好，反應(yīng)敏捷，可即時(shí)調(diào)整制造方案，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)制造。小型機(jī)構(gòu)精密增材制造技術(shù)在空客、羅·羅、EADS等公司的飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)上已有大量應(yīng)用。

四是實(shí)現(xiàn)缺損零件的修復(fù)，增材制造技術(shù)可以對(duì)高價(jià)值零件進(jìn)行修復(fù)，挽救因誤加工或使用中損傷的零件，如發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、整體葉盤(pán)、框梁等。

來(lái)源：中國(guó)技術(shù)交易所