3D打印技術(shù)與應(yīng)用創(chuàng)新驅(qū)動航空航天事業(yè)融合發(fā)展

隨著新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合,，在制造業(yè)進(jìn)入轉(zhuǎn)型升級的新時代背景下，增材制造作為航空航天領(lǐng)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(yīng)用制備技術(shù)博覽會暨高峰論壇上，來自全球的專家學(xué)者,、3D打印企業(yè)代表匯聚一堂,，聚焦產(chǎn)業(yè)和技術(shù)未來發(fā)展趨勢與創(chuàng)新應(yīng)用，探討技術(shù)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(xiàn)策,。

高性能大型關(guān)鍵金屬結(jié)構(gòu)件增材制造技術(shù)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(guān)鍵金屬構(gòu)件制造技術(shù)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(guān)鍵金屬構(gòu)件增材制造技術(shù)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(fù)雜機(jī)構(gòu)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(jī)械加工量少,，數(shù)字制造、快速響應(yīng),、快速修復(fù)等技術(shù)優(yōu)勢,。

制約大型金屬構(gòu)件激光增材制造技術(shù)這一世界性的技術(shù)難題的四大“瓶頸”，一是如何控制熱應(yīng)力,，大型構(gòu)件的成形,；二是內(nèi)部質(zhì)量控制，關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)用,；三是工藝過程的控制,，大型成套裝備的應(yīng)用；四是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的建立,。

在這四大瓶頸問題上,，北京航空航天大學(xué)王華明院士團(tuán)隊做出了響應(yīng)的技術(shù)突破，一是提出系列“內(nèi)應(yīng)力控制”理論,，建立整套零件“變形開裂預(yù)防”方法,，初步解決了“難以成形大型構(gòu)件”的問題,。二是揭示凝固晶粒、內(nèi)部缺陷和顯微結(jié)構(gòu)演化機(jī)制,，建立“內(nèi)部質(zhì)量主動控制”方法,，解決構(gòu)件“力學(xué)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(gòu)件成形能力達(dá)4X3X2m的系列化大型工程成套裝備并批量工業(yè)應(yīng)用,，初步解決“大型工程成套裝備”難題。四是“產(chǎn)學(xué)研用”緊密結(jié)合,，經(jīng)長期試驗和工程實踐,，建立整套應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，解決了工程應(yīng)用“技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”問題,。

最后王華明院士在高性能大型關(guān)鍵金屬構(gòu)件增材制造的挑戰(zhàn),、進(jìn)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(shù)/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(fù)雜構(gòu)件的數(shù)字制造,；變革重大裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能功能,，實現(xiàn)超常性能、超常功能,；變革制造技術(shù),，實現(xiàn)重大裝備大型/超大型、復(fù)雜/超復(fù)雜及多品種/小批量/批量定制化,、高性能關(guān)鍵金屬構(gòu)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(shù)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用
中國航天科工三院，張紅文院長提出,，在航天生產(chǎn)領(lǐng)域,，信息化、體系化,、系列化,、高效與精準(zhǔn)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(jì)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(shù)需求,，特別是在航天產(chǎn)品中內(nèi)部輕量化異型精密構(gòu)件,、中小型超復(fù)雜薄壁帶型腔構(gòu)件、支撐骨架+外表蒙皮的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件,、艙體骨架梁框類等大型主承力整體構(gòu)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(tuán)增材制造應(yīng)用實踐：
一是增材制造推動產(chǎn)品設(shè)計創(chuàng)新,，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(jìn)行一體化設(shè)計,，3D打印一次制造出來,，大大簡化了制造工序；可使結(jié)構(gòu)更加緊湊,，各個結(jié)構(gòu)集成的同時大大減少了質(zhì)量與體積,；可節(jié)約制造和裝配成本，消除裝配誤差,。使結(jié)構(gòu)功能一體化,，通過最合理的復(fù)雜內(nèi)流道結(jié)構(gòu)實現(xiàn)最理想的溫度控制手段，通過不同材料復(fù)合實現(xiàn)同一零件不同部位的功能需求,，進(jìn)而實現(xiàn)同一零件不同部位承受不同的應(yīng)力狀態(tài),，更理想的溫度控制和更優(yōu)化的力學(xué)結(jié)構(gòu)。通過最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計來顯著減輕金屬結(jié)構(gòu)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(fù)雜工況條件下的可靠性與穩(wěn)定性,，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)重量占比的大幅下降。

二是推動傳統(tǒng)制造技術(shù)轉(zhuǎn)型升級,，通過激光組合制造技術(shù)改造升級傳統(tǒng)制造技術(shù),，實現(xiàn)復(fù)合加工形成最佳的制造策略，可以在鑄造,、鍛造和機(jī)械加工等傳統(tǒng)工藝技術(shù)制造出來的零件上,，任意添加精細(xì)結(jié)構(gòu)，并且使用其具有與整體制造相當(dāng)?shù)牧�學(xué)性能,，同時激光增材制造技術(shù)可以制造毛坯,，而后用建材制造的方法進(jìn)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(shù)的首要應(yīng)用領(lǐng)域是航空航天工業(yè),，對現(xiàn)有材料的3D打印適應(yīng)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(qiáng)度鋼以及鋁合金等,。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，鈷合金,、銅合金,、復(fù)合材料、梯度材料,、非晶合金等材料的增材制造應(yīng)用將越來越廣泛,。

增材制造技術(shù)在大型民機(jī)上的應(yīng)用
中國商飛增材制造技術(shù)應(yīng)用研究中心主任，張嘉振主任提出,，民用商業(yè)飛機(jī)的增材制造技術(shù)有三大需求,。


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


二是,，快速設(shè)計驗證需求,，縮短設(shè)計周期，在工業(yè)設(shè)計階段,，3D打印技術(shù)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(shè)計師可以隨時打印出設(shè)計模型驗證設(shè)計效果,。簡化加工過程,，可直接加工出部分結(jié)構(gòu)較為復(fù)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(yīng)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(jī)零部件,、生產(chǎn)飛機(jī)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(jìn)行現(xiàn)場制造,，保障航材緊急需求,。在民航維修領(lǐng)域，利用3D打印技術(shù)開發(fā)飛機(jī)結(jié)構(gòu)和部件修復(fù)方法,，提供快速、低成本維修,，縮短飛機(jī)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(shù)開發(fā)飛機(jī)維修所需的特殊工具、加工等效替代工裝,，提高飛機(jī)維修工作效率,、降低維修成本。

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

一是支撐全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計,，能夠制造新型結(jié)構(gòu),，促進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新，例如空間點陣夾芯結(jié)構(gòu),，具有結(jié)構(gòu)輕,、剛性好，散熱好等特點,，實現(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化無應(yīng)力集中,，復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式通過增材制造很容易實現(xiàn)。


二是實現(xiàn)先進(jìn)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(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)效率最優(yōu)化,。例如飛機(jī)大型翼梁的“混合制造”對于厚度變化十分劇烈的結(jié)構(gòu),，模鍛難以保證組織性能的均勻性，通過混合制造技術(shù),，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(shù)無需預(yù)投工裝模具、加工柔韌性好,，反應(yīng)敏捷,，可即時調(diào)整制造方案,，實現(xiàn)快速響應(yīng)制造。小型機(jī)構(gòu)精密增材制造技術(shù)在空客,、羅·羅,、EADS等公司的飛機(jī)及發(fā)動機(jī)上已有大量應(yīng)用。

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

來源：中國技術(shù)交易所