中國(guó)航發(fā)商發(fā)石磊：航空航天領(lǐng)域增材制造

中國(guó)航發(fā)商發(fā)石磊博士進(jìn)行主題演講。

    石磊：各位專家、各位領(lǐng)導(dǎo)，下午好！
    本次匯報(bào)有四方面內(nèi)容，前面主要介紹一下增材制造分類、優(yōu)勢(shì)以及在航空航天領(lǐng)域的一些應(yīng)用，第三部分介紹一下行發(fā)公司在增材制造領(lǐng)域應(yīng)用實(shí)踐，第四部分是指出增材制造現(xiàn)在面臨的挑戰(zhàn)以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。
    第一部分內(nèi)容，增材制造技術(shù)的分類和技術(shù)特點(diǎn)。增材制造技術(shù)大致分為兩類，一個(gè)是粉末床式，例如激光或者電子束，以及非金屬的激光燒結(jié)，這種技術(shù)可以成形一些復(fù)雜構(gòu)件，成形精度比較高，表面質(zhì)量比較好，特別是對(duì)于電子束熔化技術(shù)，它處于真空環(huán)境，而且可以預(yù)設(shè)很高的溫度，對(duì)于一些難熔的材料，比如對(duì)于鈦鋁合化合物成形非常有利。
    第二類主要是以送粉和送絲式，可以成形大型構(gòu)件，工藝流程短，成本低。
    增材制造的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在四個(gè)方面：首先是快速原型認(rèn)證，縮短研制周期。第二是提升設(shè)計(jì)自由度，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重和可靠性。第三是降低復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件制造成本。第四針對(duì)一些損傷零件可以進(jìn)行修復(fù)，降低成本。
    根據(jù)各種工藝特點(diǎn)可以對(duì)各種技術(shù)進(jìn)行梳理，可以實(shí)現(xiàn)制造、修復(fù)等需求�，F(xiàn)在針對(duì)航空產(chǎn)品有一個(gè)非常重要的理念，就是全生命周期管理，從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開始就要考慮產(chǎn)品的功能性、裝配性、制造性、維修性等等方面。而增材制造技術(shù)可以提高設(shè)計(jì)自由度，同時(shí)可以指導(dǎo)修復(fù)等特點(diǎn)。非常貼切這個(gè)產(chǎn)品全生命周期理念，意味著在航空領(lǐng)域有非常大的應(yīng)用前景。
    第二部分內(nèi)容，航空航天領(lǐng)域增材制造案例。
    首先在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，標(biāo)桿企業(yè)GE公司開始了增材制造技術(shù)研究，2000年啟動(dòng)了增材制造燃油噴嘴項(xiàng)目，06年完成了一些原型認(rèn)證工作，包括完成了首臺(tái)測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試等等。通過(guò)增材制造技術(shù)燃油噴嘴由20個(gè)零件減少到1個(gè)零件，減重25%，同時(shí)相對(duì)焊接薄弱環(huán)節(jié)也避免了，提升了壽命。目前已經(jīng)批量化生產(chǎn)，帶來(lái)了非常大的經(jīng)濟(jì)效益，GE公司也做了EBSM渦輪葉片，減重效果非常明顯。最近在微信公眾號(hào)里面有一篇非�；鸬奈恼拢翰患訙厝绾蝺赡晖瓿墒�年的工作量，就是介紹了GE公司通過(guò)增材制造技術(shù)用兩年時(shí)間了完成了原本應(yīng)該十年才完成的設(shè)計(jì)與研發(fā)工作，通過(guò)增材制造技術(shù)重新設(shè)計(jì)以后，把855個(gè)零件縮減為12個(gè)，并且發(fā)動(dòng)機(jī)重量降低，油耗也減少，功率提高。
    從這個(gè)例子可以看出，如果從發(fā)動(dòng)機(jī)全局角度考慮，采用增材制造技術(shù)設(shè)計(jì)和制造，可以提高產(chǎn)品的綜合性能。
    對(duì)于RR公司也非常關(guān)注這種技術(shù)，較早采用這種技術(shù)修復(fù)葉片及葉盤修復(fù)。對(duì)MTU公司采用了選區(qū)技術(shù)，設(shè)計(jì)了成形孔儀附件�？諝す�司在飛機(jī)上面也進(jìn)行了大量的增材制造應(yīng)用，值得注意的是，空殼公司已經(jīng)完成了鈦合金制造工藝的認(rèn)證，也表明了這種工藝可靠性非常高。
    在航天領(lǐng)域也有非常多的應(yīng)用，一些火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴嘴也進(jìn)行了增材制造，傳統(tǒng)的工藝很復(fù)雜，采用增材制造可以實(shí)現(xiàn)一體化成形，并且減少一些裝配關(guān)系，同時(shí)對(duì)以前焊接薄弱環(huán)節(jié)也能夠避免，顯著提高這個(gè)零件的內(nèi)疚性。
    在非金屬方面，增材制造也有一定的優(yōu)勢(shì)。比如Bell公司成形了直升機(jī)部件，商發(fā)公司成形了氣動(dòng)試驗(yàn)件，可以快速響應(yīng)設(shè)計(jì)的需求。
    第三部分，介紹一下商發(fā)公司在增材制造方面的應(yīng)用實(shí)踐。（南極熊3D打印網(wǎng)編輯發(fā)布。）
    商發(fā)公司在增材制造團(tuán)隊(duì)成立之初，就形成設(shè)計(jì)為牽引、工藝為核心人才隊(duì)伍，包含了設(shè)計(jì)、工藝、理化檢驗(yàn)、試驗(yàn)等部門的人員。通過(guò)這個(gè)團(tuán)隊(duì)可以非常有效的從設(shè)計(jì)新產(chǎn)品迭代驗(yàn)證。最近中國(guó)行發(fā)集團(tuán)準(zhǔn)備建立增材制造工程技術(shù)中心，將會(huì)承擔(dān)增材制造工藝和市場(chǎng)認(rèn)證兩個(gè)方向，屆時(shí)人才隊(duì)伍將進(jìn)一步完善和規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大。
    在應(yīng)用方面，商發(fā)公司增材制造成立之初選擇了燃油噴嘴，為什么選擇燃油噴嘴？通過(guò)現(xiàn)有的制造工藝非常難加工，而且加工后可靠性也不高。我們從14年開始進(jìn)行了一些技術(shù)工藝研究，現(xiàn)在初步進(jìn)入了工程化階段，我們完成了五種結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且進(jìn)行了打印和驗(yàn)證，目前基本上完成了零件級(jí)的考核。
    在2017年下半年商發(fā)公司進(jìn)行了多輪次核心機(jī)實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在可以達(dá)到100%轉(zhuǎn)速，這也是發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴中里程碑節(jié)點(diǎn)，我們基本摸清了它的性能和相互之間的關(guān)系，驗(yàn)證了一些新技術(shù)，特別是商發(fā)公司設(shè)計(jì)的驗(yàn)證機(jī)現(xiàn)在也可以達(dá)到國(guó)際一流水平，也為今后進(jìn)一步優(yōu)化提供了大量的支撐。
    如果從發(fā)動(dòng)機(jī)全局角度進(jìn)行增材制造的設(shè)計(jì)和制造，可以實(shí)現(xiàn)性能大幅提升，商發(fā)公司也進(jìn)行了嘗試，以目前市面上比較成熟的10公斤的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)為對(duì)象，進(jìn)行了一些增材制造的設(shè)計(jì)和制造工作。經(jīng)過(guò)兩輪次迭代，零件數(shù)量從25個(gè)減少至18個(gè)，并且實(shí)現(xiàn)全金屬的增材制造。
    在送粉工藝方面，商發(fā)也做了大量工作，主要對(duì)TC4合金進(jìn)行了工藝實(shí)驗(yàn)以及性能測(cè)試，基本上可以達(dá)到鍛件要求。
    裝配模擬件，商發(fā)公司有大量的裝配任務(wù)，但是為了避免粗錯(cuò)，我們先打印成裝配模擬件，一方面可以提高熟練度，另外也避免裝配過(guò)程中的干涉問(wèn)題。
    經(jīng)過(guò)近4年的發(fā)展，商發(fā)公司在增材制造方面初步實(shí)現(xiàn)了一些精度控制，針對(duì)不同的幾何結(jié)構(gòu)特征，開發(fā)適宜的成形策略及支撐設(shè)計(jì)方案等方面進(jìn)行了優(yōu)化特征。
    原材料以及成形過(guò)程控制是保證產(chǎn)品非常重要的兩個(gè)必要條件，通過(guò)一些數(shù)據(jù)積累，我們制訂了一些原材料方面的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)原材料的粉末特性，比如空心粉等等進(jìn)行了詳細(xì)的要求，也制訂了相應(yīng)的制件標(biāo)準(zhǔn)，明確了一些工藝窗口，對(duì)整個(gè)過(guò)程要嚴(yán)格把控，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。
    發(fā)表了一些增材方面的論文和專利，比如《一種粉末清理裝置》、《一種光固化增材制造樹脂制件的表面防護(hù)工藝》等等，進(jìn)行了模擬工藝實(shí)驗(yàn)，建立了相關(guān)的專利。
    （PPT圖示）已經(jīng)公認(rèn)增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域有非常大的應(yīng)用前景，這張圖是GE公司梳理的發(fā)動(dòng)機(jī)里面可以進(jìn)行增材制造的構(gòu)件。商發(fā)公司非常重視這種技術(shù)，也把這種技術(shù)視為發(fā)動(dòng)機(jī)研制晚道超車的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。非常希望聯(lián)合一些力量，來(lái)共同完成增材制造工程化的應(yīng)用，今年商發(fā)公司牽頭聯(lián)合了國(guó)內(nèi)15家單位，包含了設(shè)計(jì)組、主機(jī)廠、粉末制造廠以及服務(wù)工程商等等，共同申報(bào)了2018年科技部增材制造與激光制造重點(diǎn)專項(xiàng)，準(zhǔn)備從設(shè)計(jì)、原材料、成形修復(fù)、檢測(cè)以及考核全環(huán)節(jié)出發(fā)，并且從零件、組件以及單體、整機(jī)角度進(jìn)行增材制造支撐大涵道比、小涵道比等全流程應(yīng)用。
    第四部分內(nèi)容是增材制造面臨的挑戰(zhàn)以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。
    挑戰(zhàn)方面，當(dāng)然在設(shè)計(jì)領(lǐng)域，缺乏基于增材制造工藝的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，增材制造數(shù)據(jù)不充分，缺少一體化考核方法。成形方面涉及的物理冶金過(guò)程認(rèn)識(shí)不足，增材制造工藝過(guò)程仿真技術(shù)不成熟，復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件尺寸精度控制工藝不成熟，組織和力學(xué)性能均勻性控制不成熟，工藝過(guò)程監(jiān)控及質(zhì)量保證體系不完善。
    在后處理和檢測(cè)方面，首先增材制造有一個(gè)難題就是結(jié)構(gòu)如何光整，目前相匹配的工藝手段非常有限。再一個(gè)是增材制造對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的尺寸測(cè)量現(xiàn)在方法不完善，另外是標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)據(jù)庫(kù)缺乏。
    發(fā)展趨勢(shì)，我們認(rèn)為有四個(gè)方面。首先單一材料向復(fù)合材料方向發(fā)展，納米材料、碳纖維材料等與現(xiàn)有材料復(fù)合，實(shí)現(xiàn)材料多功能性。第二是多工藝增材制造成為重要方向。通過(guò)與機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、鍛鑄等多工藝技術(shù)集成實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的增材制造。第三是裝備成形尺寸更大、精度更高、更智能。現(xiàn)在裝備成形尺寸已經(jīng)步入米級(jí)時(shí)代；成形精度已達(dá)到微米級(jí)，未來(lái)將向納米級(jí)成形精度發(fā)展；傳感器、微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等裝置等智能部件融入增材制造裝備，以實(shí)現(xiàn)增材制造實(shí)施監(jiān)控以及反復(fù)降解。第四是融合式創(chuàng)新重塑增材制造新模式，通過(guò)結(jié)合減材制造、智能制造、云制造等等，實(shí)現(xiàn)增材制造智能工廠。