全球首架C919大型客機(jī)交付東方航空，看看背后用到的3D打印技術(shù)

2022年12月9日，南極熊獲悉，中國(guó)東航(600115)在中國(guó)商飛浦東祝橋基地，接收了全球首架交付的國(guó)產(chǎn)C919大型客機(jī)。此次交付，意味著我國(guó)走完了噴氣式大型客機(jī)設(shè)計(jì)、試制、試驗(yàn)、試飛、取證、生產(chǎn)、交付的全過(guò)程。東航也成為全球首家商業(yè)運(yùn)營(yíng)C919大型客機(jī)的航空公司。

C919大型客機(jī)是我國(guó)按照國(guó)際民航規(guī)章自行研制、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型噴氣式民用飛機(jī)，座級(jí)158-168座，航程4075-5555公里。根據(jù)計(jì)劃，在接收首架C919后，東航首批C919訂單的其余四架飛機(jī)也將在明年全部交付。首架C919將開(kāi)展100小時(shí)以上空機(jī)驗(yàn)證試飛。

919的研制攻克了包括飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)、電傳飛控系統(tǒng)控制律、主動(dòng)控制技術(shù)、全機(jī)精細(xì)化有限元模型分析等在內(nèi)的100多項(xiàng)技術(shù)。不包括機(jī)載系統(tǒng)，僅大飛機(jī)自身的部段、部件，如果全部拆成零件，總共約有100萬(wàn)個(gè)小零件。目前C919國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)，已經(jīng)獲得32個(gè)客戶超過(guò)1000架的訂單。

△C919大飛機(jī)飛行中的樣子，圖源：CCTV

南極熊依然非常關(guān)注C919大飛機(jī)在研發(fā)、試制、交付等工程中使用到的3D打印技術(shù)。在今天舉辦的“第二屆中國(guó)航空航天增材制造技術(shù)發(fā)展論壇”上，中國(guó)商飛公司增材制造技術(shù)中心主任張嘉振表示：“增材制造可以大規(guī)模的減少飛機(jī)制造的費(fèi)用，節(jié)省小批量零件生產(chǎn)的交付時(shí)間，優(yōu)化零件設(shè)計(jì)、減少連接，提高零件性能。”

在經(jīng)濟(jì)效益方面，3D打印可以降低飛機(jī)全壽命周期的運(yùn)營(yíng)成本。據(jù)測(cè)算，1架飛機(jī)的全生命周期中，每減重1公斤可以解決約20萬(wàn)元人民幣。

下面我們來(lái)回顧一下，C919在研發(fā)、試制中使用的3D打印技術(shù)：

3D打印C919機(jī)頭鈦合金主風(fēng)擋整體窗框

在抖音舉辦的《院士開(kāi)講》中，北京航空航天大學(xué)王華明院士分享用3D打印技術(shù)研發(fā)和制造C919機(jī)頭主風(fēng)擋窗框的攻堅(jiān)經(jīng)歷。

△中央電視臺(tái)CCTV4 《魯健訪談》欄目中，北京航空航天大學(xué)王華明院士展示

C919機(jī)頭主風(fēng)擋窗框尺寸大、形狀復(fù)雜，國(guó)內(nèi)飛機(jī)制造廠的傳統(tǒng)方法無(wú)法制作。歐洲一家公司可以制作，但周期漫長(zhǎng)，需要兩年時(shí)間才能交貨，而且價(jià)格高昂，僅每件模具費(fèi)就要50萬(wàn)美元。

2009年，王華明團(tuán)隊(duì)利用3D打印技術(shù)，耗時(shí)55天做出了C919機(jī)頭鈦合金主風(fēng)擋整體窗框，成本不足歐洲鍛造模具費(fèi)的十分之一。

王華明團(tuán)隊(duì)通過(guò)和沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所等機(jī)構(gòu)的密切合作，在大型關(guān)鍵構(gòu)件的制造上，已經(jīng)取得了質(zhì)的突破。除了省去模具、傳統(tǒng)鑄造鍛造外，由于把三維問(wèn)題當(dāng)成二維來(lái)做，零件的大小、形狀、尺寸，不再受制約，理論上不再受到制約。

“它將會(huì)改變未來(lái)裝備的結(jié)構(gòu)，也許會(huì)改變未來(lái)裝備性能，也許一個(gè)飛機(jī)需要3萬(wàn)個(gè)零件，自重好幾十噸，現(xiàn)在有了3D打印之后，幾萬(wàn)個(gè)零件，也許變成2000個(gè)零件，數(shù)量已經(jīng)大幅度減少。通過(guò)打印高品質(zhì)的材料，強(qiáng)度在提高，自重也在減輕�！蓖跞A明說(shuō)。

3D打印C919中央翼緣條

在中國(guó)青年報(bào)的一次采訪中，西北工業(yè)大學(xué)的黃衛(wèi)東教授講述了為C919打印中央翼緣條的故事。

△鉑力特公司采用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的金屬3D打印技術(shù)和設(shè)備，打印出的C919中央翼緣條

2011年年初，“課題組”接到要為C919打印中央翼緣條任務(wù)。他們奮力拼搏、日夜鏖戰(zhàn)，不到1年時(shí)間，在廢舊教學(xué)實(shí)驗(yàn)廠房里建成了現(xiàn)代化工廠，研制出金屬3D打印專用設(shè)備，完成了一系列要求極高的性能測(cè)試工作，同時(shí)組建西安鉑力特公司，并趕在2012年年初完成了打印緣條的準(zhǔn)備工作。

此后，團(tuán)隊(duì)20多人加班加點(diǎn)，與時(shí)間賽跑，終于趕在2012年1月22日上午，一次性成功打印完成了第一件C919中央翼緣條。

這根鈦合金材質(zhì)的C919中央翼緣條，尺寸3.07米，重量196千克，2012年通過(guò)商飛的性能測(cè)試，2013年成功應(yīng)用在國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919首架驗(yàn)證機(jī)上。

這是國(guó)產(chǎn)機(jī)型首次在設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段，利用3D打印技術(shù)制備承力部件，在國(guó)際民機(jī)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)中亦屬首次。更重要的是，作為機(jī)翼關(guān)鍵部件，以我國(guó)當(dāng)時(shí)的制造能力，還無(wú)法鍛造出這樣超大尺寸的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件。而如果向國(guó)外采購(gòu)，又勢(shì)必影響大飛機(jī)的國(guó)產(chǎn)化率。

“金屬3D打印技術(shù)，為鈦合金零部件的加工提供了新的技術(shù)途徑，也為中國(guó)的航空制造打開(kāi)了一扇新窗�！秉S衛(wèi)東教授表示。

3D打印C919登機(jī)艙門鈦合金機(jī)構(gòu)零件

C919在2016年11月8號(hào)順利點(diǎn)火時(shí)，C919的前機(jī)身和中后機(jī)身的登機(jī)門、服務(wù)們以及前后貨艙門上還使用了23個(gè)金屬3D打印部件，是由金屬3D打印服務(wù)商飛而康完成的。飛而康科技采用基于SLM的3D打印技術(shù)，對(duì)風(fēng)扇進(jìn)氣入口構(gòu)件的這種鈦合金薄壁結(jié)構(gòu)開(kāi)展了技術(shù)攻關(guān)。經(jīng)過(guò)不懈的努力在4個(gè)月時(shí)間內(nèi)先后攻克了鈦合金大型薄壁件常見(jiàn)的應(yīng)力開(kāi)裂和型面變形等問(wèn)題，按時(shí)完成了產(chǎn)品交付，為C919順利點(diǎn)火做出了巨大的貢獻(xiàn)。

△由飛而康3D打印的C919飛機(jī)登機(jī)艙門鈦合金機(jī)構(gòu)零件分布圖

C919安裝的LEAP-1C發(fā)動(dòng)機(jī)

2015年7月22日，中國(guó)商飛公司和CFM國(guó)際公司舉行儀式，慶祝首臺(tái)CFM LEAP-1C發(fā)動(dòng)機(jī)交付。這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)將安裝在首架C919飛機(jī)上，為飛機(jī)的下線和首飛做準(zhǔn)備。

了解這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的讀者都會(huì)知道，LEAP-1C中使用了3D打印的燃油噴嘴。

LEAP是由GE與法國(guó)賽峰（Safran）集團(tuán)各出資50%組建的合資企業(yè)CFM研制的新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)，具有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性和更低的二氧化碳排放量，現(xiàn)已廣泛用于波音737、空客A320、以及我國(guó)的C919等單通道客機(jī)。在2014年，由于改用了3D的燃油噴嘴，其性能得到了進(jìn)一步提升（能更高效地混合與注入燃料）。

3D打印的C919大飛機(jī)模型

2018年，微博用戶@灰犬公園 秀出了他和女兒利用暑假期間3D打印的C919大飛機(jī)，完成這個(gè)作品確實(shí)下了很大的工夫，下面就來(lái)一起欣賞一下，別人的暑假作業(yè)吧：

3D打印技術(shù)在鍛煉孩子三維創(chuàng)意設(shè)計(jì)、動(dòng)手能力、科學(xué)知識(shí)等方面有很好的作用，因此不少學(xué)校甚至家庭都開(kāi)始采購(gòu)3D打印機(jī)，用來(lái)教學(xué)和體驗(yàn)，然而對(duì)于青少年，大部分人仍處于初步接觸階段，要讓他們靈活運(yùn)用，還有很長(zhǎng)的路要走。南極熊希望這樣的案例能夠帶動(dòng)更多人，主動(dòng)的來(lái)進(jìn)行創(chuàng)作。

總結(jié)

作為擁有上百萬(wàn)個(gè)零件的一個(gè)超級(jí)復(fù)雜的產(chǎn)品，其研發(fā)、試制、生產(chǎn)的過(guò)程中充滿的無(wú)數(shù)的挑戰(zhàn)，可以應(yīng)用3D打印技術(shù)的地方也非常多，其中可能還有很多用到3D打印的地方因?yàn)楸Ｃ茉�因未曾公開(kāi)過(guò)。

南極熊也衷心的希望，C919的批量生產(chǎn)中能夠越來(lái)越多的用到3D打印。