盧秉恒：3D打印在航空航天領(lǐng)域的機(jī)遇和挑戰(zhàn)

盧秉恒是我國(guó)機(jī)械制造與自動(dòng)化領(lǐng)域著名科學(xué)家,，現(xiàn)為中國(guó)工程院院士，西安交通大學(xué)教授,、博士生導(dǎo)師,，任快速制造國(guó)家工程研究中心主任、國(guó)務(wù)院機(jī)械學(xué)科評(píng)議組召集人,、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng),、中國(guó)機(jī)械制造工藝協(xié)會(huì)副理事長(zhǎng)、全國(guó)高校金屬切削機(jī)床學(xué)會(huì)理事長(zhǎng),。

　　盧秉恒主要從事快速成形制造,、微納制造、生物制造,、高速切削機(jī)床等方面的研究,，先后主持20余項(xiàng)國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目。曾獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng),、國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng),、“做出突出貢獻(xiàn)的中國(guó)博士學(xué)位獲得者”稱(chēng)號(hào)、全國(guó)五一勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)碌泉?jiǎng)項(xiàng),。

　　顛覆性技術(shù)
　　“3D打印是一個(gè)嶄新的技術(shù),，還有非常大的發(fā)展空間�,！北R秉恒院士介紹,，增材制造是近30年才發(fā)展起來(lái)的，而我們比較熟悉的鑄,、鍛,、焊已經(jīng)有3000年的歷史了，切割加工也具有300多年的歷史,。根據(jù)2013年麥肯錫研究報(bào)告預(yù)測(cè),，在今后影響人們生產(chǎn)組織模式和社會(huì)生活的12項(xiàng)重大顛覆性技術(shù)中，3D打印名列第9,，排在新材料和頁(yè)巖氣之前,，到2030年，3D打印的效益將達(dá)到0.6～1.2萬(wàn)億美元,。這一預(yù)測(cè)后來(lái)又被提前,，預(yù)計(jì)到2025年3D打印可能產(chǎn)生高達(dá)5500億美元的效益。美國(guó)“重振制造業(yè)計(jì)劃”在國(guó)會(huì)提出的口號(hào)就是要“在美國(guó)發(fā)明,、在美國(guó)制造”,，他們提出了一個(gè)指標(biāo)：用一半的周期、一半的成本來(lái)完成產(chǎn)品的開(kāi)發(fā),。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),，專(zhuān)家們提出3D打印是促進(jìn)這一指標(biāo)的有效手段。盧秉恒認(rèn)為,，3D打印正處于技術(shù)發(fā)展的井噴期,，近兩三年國(guó)內(nèi)有很多大的創(chuàng)新，使非金屬制造的效率提高了幾十倍,，金屬制造的效率也提高了近十倍,；同時(shí)，3D打印也正處于一個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的起步期,，很多企業(yè)都在加盟這個(gè)領(lǐng)域,，普遍認(rèn)為3D打印是一個(gè)很值得挖掘的一個(gè)金礦。

　　在盧秉恒看來(lái),，3D打印是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的利器,，它在做首件上是非常有利的,。“過(guò)去,，我們做試制的時(shí)候,，最難的就是做樣件，一架新飛機(jī)的研發(fā)周期需要10～20年,。有了3D打印,，我們就可以免除做首件所需要的專(zhuān)用工卡具、刀具,、模具等等,，因此大大簡(jiǎn)化了工藝流程，可以快速做出首件來(lái)進(jìn)行裝配,、試驗(yàn),、驗(yàn)證�,！北R秉恒舉例,，像飛機(jī)典型的結(jié)構(gòu)件大部分是框、梁,、架,、桁，這些東西的長(zhǎng)度和面積都很大,，但是實(shí)際上所需材料并不多,，設(shè)計(jì)要求用最少的材料來(lái)實(shí)現(xiàn)最高的強(qiáng)度和剛度。3D打印是上述結(jié)構(gòu)非常理想的一種指導(dǎo)方法,，它可以克服結(jié)構(gòu)件占有空間大,、形狀復(fù)雜，采取切割加工時(shí)往往95%～97%的材料都會(huì)被切割掉,，而且在切割加工中變形非常大,，且加工所用機(jī)床的制造難度非常大等問(wèn)題�,！八�以從這個(gè)角度上來(lái)說(shuō),，3D打印在航空航天領(lǐng)域是一項(xiàng)顛覆性技術(shù)�,！北R秉恒認(rèn)為,。航空航天所面對(duì)的是難加工的材料，它的復(fù)雜結(jié)構(gòu),、加工變形控制,、研發(fā)周期和成本等對(duì)傳統(tǒng)制造提出了一個(gè)非常大的難題，而3D打印可以用全新的方式去對(duì)付這些難題。例如,，鈦合金的切削加工是很難的,，但對(duì)于3D打印來(lái)說(shuō)，看問(wèn)題的角度變了,，反而成了最容易的成形方法,。3D打印可以使材料的利用率從原來(lái)的3%,、5%提高到80%,、90%。另外,，3D打印完全可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化,，非常適合航空航天多品種、小批量,、大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造,。

　　現(xiàn)在已經(jīng)有很多很好的案例，盧秉恒介紹道：“弗吉尼亞大學(xué)兩位學(xué)生通過(guò)3D打印技術(shù)制造出一架模型飛機(jī)并成功試飛,。只花了4個(gè)月的時(shí)間,，成本也只是2000美元。而就在5年前,，制造這樣的塑料渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的成本約為25萬(wàn)美元,，需要花上2年的時(shí)間�,！�

　　美好但不完美

　　“3D打印這么美好,，但是我們還需要進(jìn)行很多深入的研究�,！北R秉恒直言,。例如，用于航空領(lǐng)域,，需要結(jié)構(gòu)件具備很好的疲勞性能,，這個(gè)也是業(yè)界很多人提出置疑的問(wèn)題。盡管從理論上分析,，用3D打印可以獲得很好的組織結(jié)構(gòu),。比如設(shè)想，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片之所以做得好,，就是因?yàn)樗�的溫度梯度非常��,，因此它的晶粒很�?xì)。而與發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的溫度梯度（每厘米幾十度）相比較,，3D打印的溫度梯度在每毫米上千度,，在這么高溫度梯度下，3D打印產(chǎn)生的晶�,？隙ㄊ呛芗�(xì)的,。當(dāng)然也有人不放心,，認(rèn)為3D打印是一點(diǎn)一點(diǎn)打印出來(lái)的，哪一點(diǎn)有問(wèn)題它就形成了一個(gè)缺陷,。盧秉恒肯定這種擔(dān)心是需要的,，但他認(rèn)為：“實(shí)際上在宏觀(guān)制造中，對(duì)微觀(guān)雜質(zhì)的混入是不可避免的,，正如鑄造中夾雜,、氣孔等缺陷，即使經(jīng)過(guò)鍛造,，也只是改變了鑄造后的形狀,，氣孔體積縮小一點(diǎn)、形狀變化一點(diǎn),，但仍然存在,。而3D打印是在一個(gè)點(diǎn)上形成一個(gè)瞬態(tài)的高溫、一個(gè)瞬態(tài)的劇烈冷卻,，允許產(chǎn)生缺陷的體積會(huì)非常非常小,，所以應(yīng)該說(shuō)是最可靠的�,！碑�(dāng)然,，盧秉恒也表示，要達(dá)到這種可靠性必須每一點(diǎn)上的工藝條件都控制得非常好,。但實(shí)際上,，在3D打印中，激光掃描也是有慣性質(zhì)量的,，由于光斑能量分布不均,，因此會(huì)導(dǎo)致溫度場(chǎng)不均勻，可能會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,�,！斑@不是傳統(tǒng)凝固學(xué)所能解決的問(wèn)題，我們需要深度研究在3D打印情況下,，逐點(diǎn)瞬態(tài)的熱力歷程及其強(qiáng)非平衡態(tài)機(jī)理,。”盧秉恒坦言,，“我們很多的短板還是在基礎(chǔ)研究上,，如果這些難點(diǎn)不克服，我們對(duì)3D打印的航空件能否接受疲勞試驗(yàn)還是存有疑慮的,�,！�

　　此外，盧秉恒認(rèn)為缺乏標(biāo)準(zhǔn)也是問(wèn)題之一。3D打印的結(jié)構(gòu)件用在航空上,，尤其是用在民航上,，需要達(dá)到適航條件。為此需要大量的試驗(yàn)來(lái)建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),，在這方面,，我國(guó)正在積極做好相關(guān)工作。
　　“3D打印也帶來(lái)了我們材料方面的科技革命,�,！北R秉恒介紹，3D打印使材料從增量走向增材,。單一材料的制造可以把它叫作增量制造,，而3D打印的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是把不同的材料打印一起,，做成功能梯度的結(jié)構(gòu),，為我們開(kāi)辟一個(gè)很大的創(chuàng)新空間，可以把材料設(shè)計(jì)在它最能發(fā)揮效益的地方,。例如,，表面是最耐磨、耐蝕的材料,，里面是強(qiáng)度,、剛度最好的材料，把不同的材料放在一起才是真正的增材制造,。進(jìn)一步設(shè)想,，從增材到創(chuàng)材。美國(guó)NASA做了一個(gè)能夠耐受3315℃高溫的合金,，來(lái)做“龍”飛船2號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件,，從而大大提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。受這個(gè)啟發(fā),，或許可以利用3D打印來(lái)驗(yàn)證材料基因組計(jì)劃研究中的方案,，來(lái)制造出超高強(qiáng)度、超高耐溫,、超強(qiáng)韌,、超高抗?jié)竦雀鞣N不同用途的新的合金材料。

　　總而言之,，3D打印是一個(gè)引領(lǐng)性的制造業(yè)共性技術(shù),，它可以支持產(chǎn)品快速開(kāi)發(fā)，支持創(chuàng)新產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),，支持制造模式創(chuàng)新,，使制造從控形制造走向控性制造，從增量走向增材，從增材走向創(chuàng)材,，從創(chuàng)材甚至走向創(chuàng)生,。
　　產(chǎn)業(yè)生態(tài)不可限量，目前,，在3D打印領(lǐng)域,，我國(guó)的國(guó)產(chǎn)化設(shè)備銷(xiāo)售量基本上排世界第5，裝機(jī)應(yīng)用量排第3,，專(zhuān)利論文數(shù)量排第2,，但是我們還有很多的弱項(xiàng)，存在產(chǎn)業(yè)規(guī)模小,、缺乏核心技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn),、缺乏各層次人才等問(wèn)題。

　　“如何把產(chǎn)業(yè)做大,，尤其是讓航空航天這種重要產(chǎn)業(yè)能從3D打印中受益,，這個(gè)是我們的責(zé)任�,！睘榇�,，盧秉恒談及我國(guó)對(duì)增材制造行業(yè)的預(yù)測(cè)。預(yù)備在10年內(nèi)（2015~2025年）直接產(chǎn)值達(dá)到1000億元,，制造業(yè)擴(kuò)散效益達(dá)6000~10000億元,。這將帶來(lái)打印材料的基本供應(yīng)；價(jià)值大的元器件的國(guó)產(chǎn)化供應(yīng),；3D打印將顯著影響產(chǎn)品設(shè)計(jì)和日用品的個(gè)性化制造,；并將成為航空航天領(lǐng)域復(fù)雜零件的小批量制造手段�,！暗�2035年,，我們將進(jìn)入第一方陣，增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模將位居世界第二,，在裝備研發(fā)與生產(chǎn),、適用材料和尖端領(lǐng)域應(yīng)用方面與美國(guó)并駕齊驅(qū)�,！北R秉恒對(duì)此充滿(mǎn)信心,。他預(yù)測(cè)，不久的將來(lái),，3D打印將從概念上的三足鼎立走向價(jià)值分享的三分天下,，即便在批量生產(chǎn)方面3D打印或許沒(méi)有模具制造、切削加工那么大,，但它可以制造出一些具有高端價(jià)值的產(chǎn)品,，在總價(jià)值的體現(xiàn)上必將占有一定市場(chǎng)

來(lái)源：中國(guó)航空?qǐng)?bào)

延伸閱讀：
航天三院306所激光3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)新突破