用3D打印技術(shù)圓制造大飛機(jī)的“中國夢(mèng)”

為第三次工業(yè)革命制造領(lǐng)域的典型代表技術(shù),，3D打印的發(fā)展時(shí)刻受到各界的廣泛關(guān)注,。而金屬高性能增材制造技術(shù)(金屬3D打印技術(shù))被行內(nèi)專家視為3D打印領(lǐng)域高難度,、高標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展分支，在工業(yè)制造中有著舉足輕重的地位,，南極熊也一直在關(guān)注著金屬3D打印發(fā)展�,，F(xiàn)如今,，世界各國工業(yè)制造企業(yè)都在大力研發(fā)金屬增材制造技術(shù)，尤其是航空航天制造企業(yè),，更是不惜耗費(fèi)大量財(cái)力,、物力加大研發(fā)力度，以確保自己的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì),。

結(jié)構(gòu)復(fù)雜的航空部件制造如何能化繁為簡(jiǎn),，一次成形？
傳統(tǒng)的部件制造材料利用率僅5%,，可以提高到85%,？
哪種技術(shù)工藝可將部件制造周期由24個(gè)月縮短至3個(gè)月，并且大大延長(zhǎng)使用壽命,，節(jié)約上百萬人民幣的維修成本,？
答案當(dāng)然是3D打印了，這就是3D打印的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),。

現(xiàn)任浙江清華長(zhǎng)三角研究院特種金屬研究中心主任,、上海市高校“金屬基先進(jìn)電力材料”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任的潘登教授是美國約翰霍普金斯大學(xué)博士,，先后入選教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才”支持計(jì)劃,、上海市“東方學(xué)者”特聘教授。
故事要從5月5日我國首架國產(chǎn)大飛機(jī)C919試飛成功開始說起,，這架大飛機(jī)的首飛圓了國人自住制造的夢(mèng)想,，此外還有一個(gè)不得不說的亮點(diǎn)便是開啟了增材制造技術(shù)在國內(nèi)航空領(lǐng)域的應(yīng)用時(shí)代：簡(jiǎn)單來說就是大飛機(jī)上應(yīng)用了3D打印技術(shù)制造的若干功能件，這在國內(nèi)尚屬首次,。

盡管和傳統(tǒng)的鑄鍛和機(jī)加工技術(shù)相比,，3D打印技術(shù)用的材料成本高，但僅就航空領(lǐng)域而言,，單個(gè)結(jié)構(gòu)件在制造過程的裝配成本和生命周期的運(yùn)營成本可以節(jié)省上百萬人民幣,，絕對(duì)是個(gè)“穩(wěn)賺不賠”的生意。中國3D打印與航空領(lǐng)域的故事,，才剛剛開始,。

“小鍋菜”的定制生產(chǎn) 一步到位的制作工藝
3D打印技術(shù)是一種全新的制造方法，其思想突破了傳統(tǒng)的材料變形成形和去除成形的原理,。利用這種方法可在沒有工裝夾具或模具的條件下,，迅速制造出任意形狀復(fù)雜的三維實(shí)體零件。只需4步,，便可制作一個(gè)3D打印產(chǎn)品,。

第一步，計(jì)算機(jī)建模,；
第二步,，將模型層化,，也就是把三維的模型變成二維；
第三步,，把模型信號(hào)輸入打印機(jī),，逐層打印,；
第四步,，疊層成形,。
盡管3D打印技術(shù)的材料價(jià)格遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)制造工藝,，但其材料利用率、制造周期和制造過程中的裝配成本,、產(chǎn)品的運(yùn)營成本較傳統(tǒng)制造工藝來說大大減少,。該技術(shù)被認(rèn)為是“20 世紀(jì)末制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破”，并有可能成為21 世紀(jì)的主流制造技術(shù),！

3D打印的優(yōu)勢(shì)有八個(gè)字：制造簡(jiǎn)化,、超越傳統(tǒng)。它能將制造工藝化繁為簡(jiǎn),，步驟從N到1,。以航空中使用到的LEAP-1C噴射引擎噴油嘴為例，傳統(tǒng)的制造工藝制造起來非常復(fù)雜,，需要通過焊接,、鉚接等一系列步驟才能完成，但3D打印技術(shù)可一次成型,，且在使用壽命上具有不可替代的優(yōu)勢(shì),。還有一種部件結(jié)構(gòu)，外壁為實(shí)心,，外壁的內(nèi)部為空心,，內(nèi)部又是一個(gè)空心結(jié)構(gòu)，這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)工藝極難實(shí)現(xiàn),，但通過3D打印技術(shù)只需一次即可完成,。

如果說傳統(tǒng)鑄造是做大鍋菜：大量制造，以量制價(jià),，那么數(shù)字化制造的3D打印便是小鍋菜,，小量生產(chǎn)，成本均一,，可以實(shí)現(xiàn)定制化生產(chǎn),。作為智力密集型產(chǎn)業(yè)的3D打印企業(yè)已經(jīng)在各國市場(chǎng)所在地設(shè)廠，隨時(shí)響應(yīng)市場(chǎng)需求,。如今,，3D打印技術(shù)已覆蓋航空,、兵器、汽車和生物醫(yī)用產(chǎn)業(yè),。美國,、歐洲、日本和中國都將3D打印技術(shù)作為國家戰(zhàn)略之一,，制定國家增材制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展計(jì)劃,。

最難的航空3D打印“魚”和“熊掌”如何兼得？
3D打印由設(shè)備,、軟件,、材料等三部分組成，其中材料是不可或缺的環(huán)節(jié),，而現(xiàn)在業(yè)界主要研究的是設(shè)備和軟件,，對(duì)材料研究還不夠重視。
3D打印的發(fā)展離不開打印材料的支持,，好的打印材料應(yīng)具備四個(gè)方面的特點(diǎn)：
其一,，耗材無毒、環(huán)保,；
其二,，材料性能要穩(wěn)定，能夠滿足打印機(jī)持續(xù)可靠運(yùn)行,；
其三,，材料功能應(yīng)該是越來越豐富，例如現(xiàn)在已對(duì)部分材料提出了導(dǎo)電,、水溶,、耐磨等要求；
其四,，經(jīng)濟(jì)性要好,，客戶用得起。在航空3D打印專用粉末應(yīng)用中,，對(duì)其粒度,、尺寸分布、球形度,、氧含量,、純度等方面均有嚴(yán)格的要求。

因此業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)識(shí)到,，材料瓶頸已成為限制3D打印發(fā)展的首要問題,。尤其是在民用工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的鐵基、鋁基金屬粉末、高端領(lǐng)域所用的鈦基,、鈷基金屬粉末和高性能3D打印專用金屬材料已成為研究的熱點(diǎn),。

同時(shí)，由于飛機(jī)服役環(huán)境的復(fù)雜性和與其他領(lǐng)域相比更長(zhǎng)的設(shè)計(jì)壽命,，加上不同飛機(jī)部件對(duì)性能的不同需求（例如飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)部件對(duì)高溫性能要求極高,；起落架的主要性能需求卻集中在抗沖擊、抗腐蝕,；而飛機(jī)的主結(jié)構(gòu)又強(qiáng)調(diào)對(duì)強(qiáng)度和疲勞壽命方面的滿足）,，因此航空3D打印可以說是所有3D打印技術(shù)中最難的。

航空3D打印的中國故事才剛剛開始：需要一個(gè)聯(lián)合艦隊(duì)
除了材料的瓶頸需要突破之外,，這一3D打印技術(shù)中最難的領(lǐng)域,，在材料制備上還存在著瓶頸。如今3D打印金屬粉體制備常使用“氣體霧化法”和“旋轉(zhuǎn)電極霧化法”,。

前者利用高速氣流粉碎液態(tài)金屬流制備粉末,，生產(chǎn)成本低，適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn),，但難以生產(chǎn)粒徑極小的粉末；后者適合所有金屬粉末的制備,，氧含量低,，球形度高，流動(dòng)性好,，但幾乎不可能生產(chǎn)粒徑小于50微米的粉材,。而這兩種方法均無法完全解決航空3D打印技術(shù)材料制備上的難題。

此外,，在制造過程中,，大量的基礎(chǔ)研究課題和技術(shù)瓶頸尚亟待解決：如何實(shí)現(xiàn)完全熔化與組織控制？如何抑制微觀孔洞,、晶粒取向生長(zhǎng),？如何限制構(gòu)件系統(tǒng)誤差……潘登認(rèn)為，盡管3D打印在航空領(lǐng)域想象空間巨大,，但在攻關(guān)過程中,，除了每一步都精益求精，更加需要一種“笨工匠精神”,。更重要的是,，“需要不同領(lǐng)域的企業(yè)和科研院所組成聯(lián)合艦隊(duì)，摒棄門戶觀念,，協(xié)同努力,，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，共同突破這些技術(shù)瓶頸,�,！迸说菑�(qiáng)調(diào),。

可以預(yù)見，不久的將來,，在中國的第二架,、第三架國產(chǎn)大飛機(jī)上，能實(shí)現(xiàn)更多的3D打印部件,，續(xù)寫3D打印技術(shù)在中國航空領(lǐng)域的故事,。傳統(tǒng)制造技術(shù)適用于大批量成形產(chǎn)品的生產(chǎn)，而3D打印技術(shù)則更適合個(gè)性化或者精細(xì)化結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的制造,。將3D打印技術(shù)和傳統(tǒng)制造技術(shù)相結(jié)合,，各取所長(zhǎng)，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì),，使制造技術(shù)發(fā)揮更大的威力,。

南極熊認(rèn)為，航空航天作為3D打印技術(shù)的首要應(yīng)用領(lǐng)域,，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯,，但是這絕不是意味著金屬3D打印是無所不能的，在實(shí)際生產(chǎn)中,，其技術(shù)應(yīng)用還有很多亟待決絕的問題,。比如目前3D打印還無法適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)，滿足不了高精度需求,，無法實(shí)現(xiàn)高效率制造等,。而且，制約3D打印發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素就是其設(shè)備成本的居高不下,，大多數(shù)民用領(lǐng)域還無法承擔(dān)起如此高昂的設(shè)備制造成本,。但是南極熊也相信，隨著材料技術(shù),，計(jì)算機(jī)技術(shù)以及激光技術(shù)的不斷發(fā)展,，制造成本將會(huì)不斷降低，滿足制造業(yè)對(duì)生產(chǎn)成本的承受能力,，屆時(shí),，3D打印將會(huì)在制造領(lǐng)域綻放屬于它的光芒。

來源：科學(xué)家在線
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