世界最大3D打印飛機鈦合金部件：中國PK英國

種名為“激光立體成形(Laser Additive Manufacturing)”的3D打印技術(shù)通過激光融化金屬粉末，幾乎可以“打印”任何形狀的產(chǎn)品。其最大的特點是，使用的材料為金屬，“打印”的產(chǎn)品具有極高的力學(xué)性能，能滿足航空航天、模具、汽車、醫(yī)學(xué)、齒科、工藝品等不同行業(yè)的需求。

　　3D打印技術(shù)可以追溯到1984年， Charles Hull最早開發(fā)出從數(shù)字數(shù)據(jù)打印出3D物體的技術(shù)并在2年后開發(fā)出第一臺商業(yè)3D印刷機。隨后在整個90年代不斷完善了其基本技術(shù)和規(guī)范，并在21世紀出投入了應(yīng)用。

　　鈦是一種密度只有鋼鐵的一半，強度卻遠勝于絕大多數(shù)合金的材料，被廣泛用于航天航空業(yè)。美國是最早開發(fā)鈦合金3D打印技術(shù)的國家。1985年，美國就在國防部的主導(dǎo)下秘密開始了鈦合金激光成形技術(shù)的研究，并在1992年公之于眾。隨后美國繼續(xù)研發(fā)這一技術(shù)，并在2002年將激光成形的鈦合金零件裝上戰(zhàn)機試驗。

　　然而，因為在制造過程中鈦合金變形、斷裂的技術(shù)難題無法解決，美國始終無法生產(chǎn)高強度、大尺寸的激光成形鈦合金構(gòu)件。2005年，美國從事鈦合金激光成型制造業(yè)務(wù)的商業(yè)公司Aeromet由于始終無法生產(chǎn)出性能滿足主承力要求的大尺寸復(fù)雜鈦合金構(gòu)件，沒有實現(xiàn)有價值的市場應(yīng)用而倒閉。美國的其他國家實驗室也無法攻克這一難題，目前只能進行小尺寸鈦合金部件的打印和鈦合金零件表面修復(fù)。

　　一、3D技術(shù)在航空領(lǐng)域大顯身手

　　兩年前，一架名為“SULSA”的無人駕駛飛機橫空出世震驚了世界�！癝ULSA”由英國南安普敦大學(xué)的兩位年輕工程師設(shè)計和制造，除了驅(qū)動用的馬達，包括機翼、整體控制面和艙門在內(nèi)的所有部件都是在2天時間里“打印”組裝出來的。

　　也就是在短短兩年時間里，3D打印技術(shù)已運用于軍事和航空航天領(lǐng)域，造價高昂的戰(zhàn)斗機、艦載機等也都能通過“打印出爐”了。目前我國已經(jīng)具備了使用激光成形超過12平方米復(fù)雜鈦合金構(gòu)件的技術(shù)和能力，并在航空科研項目的設(shè)計試制中投入使用。

　　1、生產(chǎn)效率是傳統(tǒng)的3倍

　　由于抓住了“投入產(chǎn)出比”的脈搏，3D打印技術(shù)被英國《經(jīng)濟學(xué)人》雜志預(yù)測為“將推動新一輪工業(yè)革命的來臨”。這一具有數(shù)字化、智能化等特點的先進“復(fù)制”制造技術(shù)在民用化的同時，也悄然成為國防和軍事工業(yè)的“新貴”。

　　在國防大學(xué)軍事后勤與軍事科技裝備教研部教授李大光看來，3D打印技術(shù)可以減輕后勤保障壓力。就目前來說，使用相同數(shù)量的耗材制造零件，3D打印機的生產(chǎn)效率是傳統(tǒng)方法的3倍。如果在戰(zhàn)場上有一臺3D打印機，就可以及時生產(chǎn)出戰(zhàn)場上消耗的武器裝備和補給物資，這將大大減輕后方生產(chǎn)和后勤保障的壓力。

　　隨著“制空權(quán)”對于現(xiàn)代戰(zhàn)爭的意義越來越重大，各國在積極研發(fā)新一代戰(zhàn)機的同時，3D打印技術(shù)也逐漸被吸納運用其中。

　　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。美國F-15戰(zhàn)斗機從1966年計劃研發(fā)到首飛就耗時6年，F(xiàn)-22則花了16年；俄羅斯的蘇-27耗時10年，蘇-30也花了6年。

　　在傳統(tǒng)的戰(zhàn)斗機制造流程當中，飛機的3D模型設(shè)計好后，需要進行長期的投入來制造水壓成型設(shè)備，而使用3D打印這種增材制造技術(shù)后，零件的成型速度、應(yīng)用速度得以大幅度提高。

　　李大光表示，3D打印技術(shù)最突出的優(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。如果借助3D打印技術(shù)及其他信息技術(shù)，最少只需3年時間就能研制出一款新戰(zhàn)斗機。
2、鈦合金3D打印用于新機

　　在3D打印技術(shù)中，飛機鈦合金大型整體關(guān)鍵構(gòu)件激光成形技術(shù)是高端發(fā)展形勢。作為最早開發(fā)鈦合金3D打印技術(shù)的國家，1985年，美國就在五角大樓的主導(dǎo)下秘密開啟了鈦合金激光成形技術(shù)的研究，并在1992年公之于眾。隨后美國繼續(xù)研發(fā)這一技術(shù)，在2002年將激光成形的鈦合金零件裝上戰(zhàn)機進行試驗。

　　今年1月14日，美國著名的電子束、等離子弧及電阻焊接設(shè)備制造商Sciaky公司宣布，他們已經(jīng)成功掌握了使用電子束進行鈦合金3D打印的制造技術(shù)。這項技術(shù)將被用于生產(chǎn)美國第五代隱形戰(zhàn)斗機F-35的多個零件。

　　李大光表示，傳統(tǒng)的武器裝備生產(chǎn)主要是做“減”法。原材料通過切割、磨削、腐蝕、熔融等工序，除去多余部分形成零部件，然后被拼裝、焊接成產(chǎn)品。這一過程中，將有90%的原材料被浪費掉。3D打印技術(shù)除了能夠提升武器裝備的研發(fā)速度，還能大幅降低武器裝備的造價成本。

　　作為全世界最貴最精密的戰(zhàn)機，美國F-35聯(lián)合攻擊戰(zhàn)機每架售價至少1.5億美元。相較于傳統(tǒng)制造方式，3D新技術(shù)制造的產(chǎn)品成本更低、壽命也更長。如果3000多架戰(zhàn)機都使用這種技術(shù)制造部件，將可以節(jié)省數(shù)十億美元的成本。

　　雖然中國鈦合金激光成形技術(shù)起步晚，但現(xiàn)在卻具備了使用激光成形超過12平方米的復(fù)雜鈦合金構(gòu)件的技術(shù)和能力，成為繼美國之后、世界上第二個掌握該技術(shù)的國家。在今年5月舉行的第十六屆中國北京國際科技產(chǎn)業(yè)博覽會上，獲得2012年度“國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎”的飛機鈦合金大型整體關(guān)鍵構(gòu)件激光成形技術(shù)得以展示。

　　中航工業(yè)副總工程師、殲-15總設(shè)計師孫聰在今年全國兩會期間曾透露，鈦合金和M100鋼的3D打印技術(shù)（增材制造技術(shù)）已廣泛用于新機設(shè)計試制過程。其中，于2012年10月至11月首飛成功的機型，廣泛使用了3D打印技術(shù)制造鈦合金主承力部分，包括整個前起落架。

　　二、中國展示世界最大戰(zhàn)機3D打印鈦合金零件

　　2013年5月24日，在第十六屆中國北京國際科技產(chǎn)業(yè)博覽會上，中航重機控股子公司中航激光所屬研發(fā)團隊，展示了獲得2012年度“國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎”的飛機鈦合金大型整體關(guān)鍵構(gòu)件激光成形技術(shù)。

據(jù)參與該項研究的北京航空航天大學(xué)材料加工工程的人員稱，北京航空航天大學(xué)已與中航工業(yè)集團成立中航激光公司，以對該項技術(shù)成果實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。在這次展會上，還首次公開展示了某型戰(zhàn)機的大型鈦合金零件。飛機鈦合金大型整體關(guān)鍵構(gòu)件激光成形技術(shù)是“3D打印技術(shù)”的高端發(fā)展形勢，是一項“變革性”的短周期、低成本、數(shù)字化先進制造技術(shù)。該項目在國際上首次突破了飛機鈦合金大型整體主承力結(jié)構(gòu)件激光成型工藝、力學(xué)性能控制、工程化成套設(shè)備、技術(shù)標準。已經(jīng)用激光直接制造30多種鈦合金燈大型復(fù)雜關(guān)鍵金屬零件在大型運輸機、艦載機、C919大型客機、殲擊機等7型飛機中裝機應(yīng)用，解決型號研制“瓶頸”，使中國成為迄今世界上唯一掌握高性能大型金屬零件激光直接制造技術(shù)并實現(xiàn)工程應(yīng)用的國家。

　　2013年1月18日，國務(wù)院向“飛機鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”頒發(fā)國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎。目前，這一技術(shù)在我國已經(jīng)投入工業(yè)化制造，使我國成為繼美國之后、世界上第二個掌握飛機鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形及技術(shù)的國家。

　　更加令人欣喜的是，在性能上，根據(jù)公開的材料表明，我國已經(jīng)能夠生產(chǎn)優(yōu)于美國的激光成形鈦合金構(gòu)件。成為目前世界上唯一掌握激光成形鈦合金大型主承力構(gòu)件制造且付諸實用的國家。

一些觀察人士稱，這顯示殲-31戰(zhàn)機至少有4個激光成型“眼鏡式”鈦合金主承力構(gòu)件加強框。

　　目前，我國已經(jīng)具備了使用激光成形超過12平方米的復(fù)雜鈦合金構(gòu)件的技術(shù)和能力，并投入多個國產(chǎn)航空科研項目的原型和產(chǎn)品制造中。成為目前世界上唯一掌握激光成形鈦合金大型主承力構(gòu)件制造并且裝機工程應(yīng)用的國家。

　　節(jié)約90%的材料和成本

　　在解決了材料變形和缺陷控制的難題后，中國生產(chǎn)的鈦合金結(jié)構(gòu)部件迅速成為中國航空研制的一項獨特優(yōu)勢。由于鈦合金重量輕，強度高，鈦合金構(gòu)件在航空領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。目前，先進戰(zhàn)機上的鈦合金構(gòu)件所占比例已經(jīng)超過20%。

　　傳統(tǒng)的鈦合金零件制造主要依靠鑄造和鍛造。其中鑄造零件易于大尺寸制造，但重量較大且無法加工成精細的形狀。鍛造切削雖然精度較好，美國F-22戰(zhàn)機的主要承力部件便是大型鑄造鈦合金框。但是零件制造浪費嚴重，原料的95%都會被作為廢料切掉，而且鍛造鈦合金的尺寸受到嚴格的限制：3萬噸大型水壓機只能鍛造不超過0.8平方米的零件，即使世界上最大的8萬噸水壓機，鍛造的零件尺寸也不能超過4.5平方米。而且這兩種技術(shù)都無法制造復(fù)雜的鈦合金構(gòu)件，而焊接則會遇到可怕的鈦合金腐蝕現(xiàn)象。

　　激光鈦合金成形技術(shù)則完全解決了這一系列難題，由于采用疊加技術(shù)，它節(jié)約了90%十分昂貴的原材料，加之不需要制造專用的模具，原本相當于材料成本1~2倍的加工費用現(xiàn)在只需要原來的10%。加工1噸重量的鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，粗略估計，傳統(tǒng)工藝的成本大約是2500萬元，而激光3D焊接快速成型技術(shù)的成本僅130萬元左右，其成本僅是傳統(tǒng)工藝的5%。

　　更重要的是，許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鈦合金構(gòu)建可以通過3D打印的方式一體成型，不僅節(jié)省了工時，還大大提高了材料強度。F-22的鈦合金鍛件如果使用中國的3D打印技術(shù)制造，在強度相當?shù)那闆r下，重量最多可以減少40%。

　　在中航成飛和沈飛的下一代戰(zhàn)斗機的設(shè)計研發(fā)中，激光鈦合金成形技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛運用。通過這一技術(shù)，正在研制的兩型第五代戰(zhàn)斗機殲-20和殲-31采用鈦合金的主體結(jié)構(gòu)，成功降低了飛機的結(jié)構(gòu)重量，提高了戰(zhàn)機的推重比；依托激光鈦合金成形造價低、速度快的特點，沈飛在一年之內(nèi)連續(xù)組裝出殲-15、殲-16、殲-31等多型戰(zhàn)斗機并且進行試飛。

　　民用航空制造業(yè)也開始應(yīng)用這一技術(shù)。目前，在西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點實驗室下設(shè)的激光制造工程中心，通過激光立體成型技術(shù)為將于2014年投產(chǎn)，并在2016年投入運營的國產(chǎn)客機C919制造了鈦合金翼梁，長度超過5米。

　　除了制造外，這些部件在出現(xiàn)問題后，也將可以使用同樣的技術(shù)進行修復(fù)，而無需重新制造，這將可以節(jié)省大量用于更換受損部件的費用。

　　憑借激光鈦合金成形技術(shù)，中國在航空材料科學(xué)領(lǐng)域第一次走在了世界先進水平的前列，并為中國航空工業(yè)的發(fā)展打下了堅實的基礎(chǔ)。

　　三、英國3D打印出1.2米鈦金飛機機翼部件

　　近日，英國用3D打印技術(shù)制造出了一件1.2米長的鈦金飛機機翼部件（注意，是最終產(chǎn)品，不是模具、樣品），展示了3D打印技術(shù)如何徹底改變未來飛機的生產(chǎn)制造方式。

　　這是英國Cranfield大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個合作項目，BAE系統(tǒng)公司在Samlesbury和Warton的研究人員在其中設(shè)計了飛機機翼結(jié)構(gòu)的一個翼梁區(qū)段。Cranfield大學(xué)在増材制造研究方面有著悠久的歷史，曾于1994年為勞斯萊斯的發(fā)動機外殼等工序開發(fā)成形金屬沉積（SMD，Shaped Metal Deposition）工藝。
這塊打印出來的機翼部件長度有1.2m，整個制造過程包括從數(shù)字模型設(shè)計到使用一種特殊的3D打印技術(shù)WAAM（即電線和電弧増材制造，Wire and Arc Additive Manufacture）完成機翼部件的制造，全過程只花了37個小時。據(jù)3D打印資訊門戶天工社了解，WAAM可以以較高的沉積速率生產(chǎn)大型的定制金屬零件，這是航空工業(yè)中經(jīng)常會遇到的一個問題。而且加快焊接的移動速度能夠提高WAAM的生產(chǎn)效率。

　　BAE系統(tǒng)公司參與該項目的技術(shù)負責人之一Matt Stevens說：“通過這個項目充分證明，我們有能力制造大尺寸的鈦金部件。下一個階段目標是繼續(xù)共同努力，生產(chǎn)更多的零件，并制訂高效的工藝流程，使這一技術(shù)能夠安全、無縫地在航空航天工業(yè)應(yīng)用�！�



　　使用3D打印制造最主要的好處是可以降低成本、節(jié)省時間。迄今為止BAE系統(tǒng)公司使用非金屬材料3D打印技術(shù)制作了多個飛機零部件。這個最新的項目的成功將會使飛機機翼的制造更多地使用3D打印技術(shù)。