3D打印技術與應用創(chuàng)新驅動航空航天事業(yè)融合發(fā)展

隨著新一代信息技術與制造業(yè)深度融合，在制造業(yè)進入轉型升級的新時代背景下，增材制造作為航空航天領域的“新科技”呈現(xiàn)出融合發(fā)展的態(tài)勢。1月5日，在哈爾濱舉行的首屆中國航空航天3D打印材料及應用制備技術博覽會暨高峰論壇上，來自全球的專家學者、3D打印企業(yè)代表匯聚一堂，聚焦產(chǎn)業(yè)和技術未來發(fā)展趨勢與創(chuàng)新應用，探討技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑，為推動我國航空航天事業(yè)發(fā)展建言獻策。

高性能大型關鍵金屬結構件增材制造技術及其對重大裝備制造業(yè)的影響
中國工程院院士，王華明院士講到，傳統(tǒng)航空航天大型關鍵金屬構件制造技術存在重型裝備、大型模具，材料費、周期長、成本高等問題。大型關鍵金屬構件增材制造技術的優(yōu)勢就是超常冶金/快速凝固，具備高性能材料制備與復雜機構制造一體化。無需大型鍛造及模具、短流程、低成本、短周期，材料利用率高、機械加工量少，數(shù)字制造、快速響應、快速修復等技術優(yōu)勢。

制約大型金屬構件激光增材制造技術這一世界性的技術難題的四大“瓶頸”，一是如何控制熱應力，大型構件的成形；二是內(nèi)部質量控制，關鍵構件的應用；三是工藝過程的控制，大型成套裝備的應用；四是技術標準體系的建立。

在這四大瓶頸問題上，北京航空航天大學王華明院士團隊做出了響應的技術突破，一是提出系列“內(nèi)應力控制”理論，建立整套零件“變形開裂預防”方法，初步解決了“難以成形大型構件”的問題。二是揭示凝固晶粒、內(nèi)部缺陷和顯微結構演化機制，建立“內(nèi)部質量主動控制”方法，解決構件“力學性能控制”瓶頸問題。三是提出激光增材制造裝備系統(tǒng)新原理，研究出構件成形能力達4X3X2m的系列化大型工程成套裝備并批量工業(yè)應用，初步解決“大型工程成套裝備”難題。四是“產(chǎn)學研用”緊密結合，經(jīng)長期試驗和工程實踐，建立整套應用技術標準體系，解決了工程應用“技術標準”問題。

最后王華明院士在高性能大型關鍵金屬構件增材制造的挑戰(zhàn)、進展及對重大裝備制造業(yè)的影響中談到，增材制造未來將變革材料冶金技術/擺脫傳統(tǒng)冶金對材料制備及性能的原理性制約，實現(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雜構件的數(shù)字制造；變革重大裝備結構設計和性能功能，實現(xiàn)超常性能、超常功能；變革制造技術，實現(xiàn)重大裝備大型/超大型、復雜/超復雜及多品種/小批量/批量定制化、高性能關鍵金屬構件的快速、低成本、數(shù)字化智能制造；變革社會生產(chǎn)制造模式。

增材制造技術在航空航天領域應用
中國航天科工三院，張紅文院長提出，在航天生產(chǎn)領域，信息化、體系化、系列化、高效與精準打擊等方面的發(fā)展需求，對航天產(chǎn)品的性能、效能、可靠性、經(jīng)濟科承受性、研制周期、綠色環(huán)保等要求也越來越高，對增材制造的技術需求，特別是在航天產(chǎn)品中內(nèi)部輕量化異型精密構件、中小型超復雜薄壁帶型腔構件、支撐骨架+外表蒙皮的復雜結構件、艙體骨架梁框類等大型主承力整體構件4大類產(chǎn)品，尤為迫切。

張紅文院長介紹了航天科工集團增材制造應用實踐：
一是增材制造推動產(chǎn)品設計創(chuàng)新，使產(chǎn)品結構一體化，可將數(shù)十個、數(shù)百個甚至更多零件組裝的產(chǎn)品進行一體化設計，3D打印一次制造出來，大大簡化了制造工序；可使結構更加緊湊，各個結構集成的同時大大減少了質量與體積；可節(jié)約制造和裝配成本，消除裝配誤差。使結構功能一體化，通過最合理的復雜內(nèi)流道結構實現(xiàn)最理想的溫度控制手段，通過不同材料復合實現(xiàn)同一零件不同部位的功能需求，進而實現(xiàn)同一零件不同部位承受不同的應力狀態(tài)，更理想的溫度控制和更優(yōu)化的力學結構。通過最優(yōu)化的結構設計來顯著減輕金屬結構件的重量，從而節(jié)約昂貴的航空材料，降低加工成本，可實現(xiàn)載荷的均勻分布，提升產(chǎn)品在復雜工況條件下的可靠性與穩(wěn)定性，實現(xiàn)結構重量占比的大幅下降。

二是推動傳統(tǒng)制造技術轉型升級，通過激光組合制造技術改造升級傳統(tǒng)制造技術，實現(xiàn)復合加工形成最佳的制造策略，可以在鑄造、鍛造和機械加工等傳統(tǒng)工藝技術制造出來的零件上，任意添加精細結構，并且使用其具有與整體制造相當?shù)牧�學性能，同時激光增材制造技術可以制造毛坯，而后用建材制造的方法進行后處理。

三是開發(fā)系列化增材制造專用材料，目前金屬3D打印技術的首要應用領域是航空航天工業(yè)，對現(xiàn)有材料的3D打印適應性研究主要針對的是航空航天材料，如高性能鈦合金、高溫合金、超過強度鋼以及鋁合金等。隨著3D打印技術的發(fā)展，鈷合金、銅合金、復合材料、梯度材料、非晶合金等材料的增材制造應用將越來越廣泛。

增材制造技術在大型民機上的應用
中國商飛增材制造技術應用研究中心主任，張嘉振主任提出，民用商業(yè)飛機的增材制造技術有三大需求。


一是創(chuàng)新設計需求，3D打印技術正在改變民用機的設計思維，在設計自主性和環(huán)保方面的優(yōu)勢，使其在飛機制造業(yè)中的地位日益重要。對于3D打印技術應用于航空領域，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)濟效益的提升所帶來競爭力的提升。


二是，快速設計驗證需求，縮短設計周期，在工業(yè)設計階段，3D打印技術低成本快速成型的特點可彌補傳統(tǒng)工藝制作周期長，成本高的問題，設計師可以隨時打印出設計模型驗證設計效果。簡化加工過程，可直接加工出部分結構較為復雜的非受力件或受力件、艙門裝飾件等，簡化加工過程。

三是，快速客戶響應需求，如果能夠利用3D打印的快速加工特性，在現(xiàn)場或附近快速制造出所需航材，那么客戶的AOG航材需求將能夠迅速滿足。3D打印不僅可用于批量制造飛機零部件、生產(chǎn)飛機維修所需的航材，而且可以利用其快速加工的特性，對現(xiàn)場缺少而又無法短期內(nèi)采購到位的航材進行現(xiàn)場制造，保障航材緊急需求。在民航維修領域，利用3D打印技術開發(fā)飛機結構和部件修復方法，提供快速、低成本維修，縮短飛機維修停場時間，降低維修成本。另外，還可以根據(jù)維修工作需求和經(jīng)驗，利用3D打印技術開發(fā)飛機維修所需的特殊工具、加工等效替代工裝，提高飛機維修工作效率、降低維修成本。

增材制造技術在航空領域的研究應用
航空工業(yè)特種加工首席專家、中國航空制造技術研究院副總工程師，鞏水利提出了增材制造技術在航空領域的四大應用。

一是支撐全新的結構設計，能夠制造新型結構，促進結構設計創(chuàng)新，例如空間點陣夾芯結構，具有結構輕、剛性好，散熱好等特點，實現(xiàn)拓撲優(yōu)化無應力集中，復雜結構形式通過增材制造很容易實現(xiàn)。


二是實現(xiàn)先進的“混合制造”思想，利用“增材”的特點，可將由多個零件連接而成的裝配組件變成單件整體結構，從而實現(xiàn)結構效率最優(yōu)化。例如飛機大型翼梁的“混合制造”對于厚度變化十分劇烈的結構，模鍛難以保證組織性能的均勻性，通過混合制造技術，在形狀簡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。

三是實現(xiàn)快速制造、直接制造，增材制造技術無需預投工裝模具、加工柔韌性好，反應敏捷，可即時調整制造方案，實現(xiàn)快速響應制造。小型機構精密增材制造技術在空客、羅·羅、EADS等公司的飛機及發(fā)動機上已有大量應用。

四是實現(xiàn)缺損零件的修復，增材制造技術可以對高價值零件進行修復，挽救因誤加工或使用中損傷的零件，如發(fā)動機葉片、整體葉盤、框梁等。

來源：中國技術交易所