航天科工集團第三研究院金亮：3D打印輕量化

航天科工集團第三研究院第三總體設(shè)計部結(jié)構(gòu)強度與動力研究室主任,、型號總師助理金亮進行主題演講,。

    金亮：由于時間緊張，我簡單介紹一下,。
    想跟大家分享五部分,，因為在座很多專家都是制造方面的專家，因為我們從事的主要是設(shè)計工作,，所以我會把相關(guān)的增材制造應(yīng)用情況,，包括我們覺得對輕量化結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，包括優(yōu)化的能力和軟件,，以及輕量化結(jié)構(gòu)對于增材制造的需求,，以及從設(shè)計到制造一體化的想法,，把這些方面向大家溝通一下,。
    剛才很多專家都提到了，增材制造到底在現(xiàn)在整個制造中是一個什么情況,？我自己理解,，現(xiàn)在的增材制造有點像最開始使用的復(fù)合材料情況，最開始使用復(fù)合材料想法是所謂的等待設(shè)計,，就是原來的零件或者原來的結(jié)構(gòu)是什么樣的,，我拿復(fù)合材料直接把它替代了，這是一種方式,。但現(xiàn)在我們使用復(fù)合材料的方式,，相信很多單位都是從最初的整體設(shè)計開始，一直到結(jié)構(gòu)設(shè)計,，是全流程的去開展設(shè)備,，這樣有什么好處呢？你能最大限度的使用新材料或者新工藝的優(yōu)勢,，而不僅僅是讓它去適應(yīng)我現(xiàn)有的結(jié)構(gòu),，這樣才能發(fā)揮出新材料、新工藝的優(yōu)勢,。比如原來有這種情況,，我換了復(fù)合材料，反而沒有達到減重的效果,，就是因為沒有充分發(fā)揮新材料,、新工藝的優(yōu)勢。所以后面的增材制造也有這個問題,，就是在設(shè)計端怎么從最初的總體階段就要把新工藝應(yīng)用上,。
    第一部分，先進輕量化結(jié)構(gòu)的特點。我覺得這四點值得大家交流：一個是研制裝備周期顯著縮短,，現(xiàn)在明顯感覺到,，所有主機所都有這種感覺，原來比如要五年,、七年研制完的一個裝備,，尤其比較復(fù)雜的裝備，現(xiàn)在可能在兩年內(nèi)就要完成,，甚至有的提出來當(dāng)年設(shè)計,、當(dāng)年制造、當(dāng)年實驗,。第二個是一體化程度日益提高,，很多分散性的或者是零散的東西，后面要一體化,，這個一體化不僅僅是結(jié)構(gòu)層面的一體化,。另外是功能和結(jié)構(gòu)一體化，結(jié)構(gòu)承載的同時要完成其他的功能,，防熱功能,、流道功能等等。第三是多功能化需求增加,。最后一個是重復(fù)使用,，重復(fù)使用工作很多單位也在做，包括剛才GE專家也提了,，實際上航空上已經(jīng)用了,，為什么我還要提重復(fù)使用？實際上針對某些材料或者某幾種材料的環(huán)境下做了有限的重復(fù)使用工作,，但是有些材料,，尤其是從我們角度來說要大量使用的，比如像空間飛行需要的更廣泛的一些材料,，重復(fù)使用工作做的非常少,。（南極熊3D打印網(wǎng)編輯發(fā)布。）
    前面說的特點細化一下有這么多：第一是材料種類翻多,，比如鋁合金,、鎂合金、高溫合金等等,，另外是結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣,，構(gòu)型也很多，一體化程度高,。第三個是質(zhì)量需求,，我們一般評價現(xiàn)在的結(jié)構(gòu),，像飛機也好、結(jié)構(gòu)也好,，都用質(zhì)量系數(shù),。另外是小批量、多品種,、持續(xù)優(yōu)化改進,。剛才說了，研制周期的縮短,，一方面是因為競爭的關(guān)系,，另外是需求的增加，需要我們在很短時間內(nèi)完成設(shè)計,、生產(chǎn),，同時這種需求增加之后，出現(xiàn)了很多小批量的需求,，不斷優(yōu)化改進,，我的設(shè)計周期縮短之后，要求產(chǎn)品的迭代過程特別快,，這樣就出現(xiàn)了小批量的需求,。原來可能設(shè)計周期是三年,、四年,，全生命周期可能十年，現(xiàn)在縮短了以后,，很短時間內(nèi)你沒有完全做完優(yōu)化可能就要走一輪迭代,，這樣會出現(xiàn)不斷在改進、優(yōu)化,，原來大批量生產(chǎn)切割成很小的一段,，后面就出現(xiàn)了這種情況，就是很多原有的工藝可能不太適合小批量,、多品種的生產(chǎn),。
    在這些特點的情況下我們面臨的挑戰(zhàn)。一個是剛才說的結(jié)構(gòu)重,，質(zhì)量的問題,。另外是低成本的問題。第三是制造的問題,，性能和精度,。第四是周期長，剛才說了,，從設(shè)計到制造要求周期縮短的非常厲害,，可能變成原來的20%或者10%,。
    第二部分，增材制造在院里的應(yīng)用情況,。這里面很多圖片被刪掉了,，但是有些圖片在楊總演講過程中有，重復(fù)的我就不講了,。
    我們做了一些工作,，包括結(jié)合拓撲優(yōu)化，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重,。第二是對于復(fù)雜構(gòu)件開展了近凈成形的研究,。第三是快速響應(yīng)，適合于小批量柔性生產(chǎn),。第四產(chǎn)品力學(xué)性能及產(chǎn)品一致性優(yōu)良,，大多金屬構(gòu)件性能接近鍛件力學(xué)性能。
    現(xiàn)在總的來說,，已經(jīng)在幾個重點型號中應(yīng)用了,，好多硬件已經(jīng)在應(yīng)用了。提升了性能,，實現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的研制,，縮短了周期。但是客觀來講,，3D打印的構(gòu)件雖然相比原來有比較大的增長,，但是在整個結(jié)構(gòu)占比來說還是小量。
    第一部分,，像接頭結(jié)構(gòu),、舵頭結(jié)構(gòu)剛才楊總講了，主要針對結(jié)構(gòu)做減重,，包括針對TC4材料,、TC9的材料等等。另外,，通過一體化設(shè)計實現(xiàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)和設(shè)備的集成化設(shè)計,，實現(xiàn)了輕量化高效制備。也就是我們實現(xiàn)了承載結(jié)構(gòu)和設(shè)備以及舵機一體化設(shè)計,、一體化生產(chǎn),、一體化交付。一個是艙段和舵機的集成,，另外是翼面,，這樣一方面減小了零件的數(shù)量，另外是減小了空間,。另外,，通過增材制造突破了復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的制備,，縮短了制備周期。采用了增材制造快速制造脫落插座,、流罩設(shè)計等,。再一個是通過增材制造技術(shù)，突破了對于大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整體成形制備問題�,，F(xiàn)在我們也在做更大尺寸的,，后面會做到7米量級大尺寸的構(gòu)件。最后一個是對于實驗件和模擬件快速高效制備,，現(xiàn)在很多主機所都在做這個工作,。
    第三部分是對于優(yōu)化技術(shù)的需求。主要有幾方面：
    一個是質(zhì)量占比,，實現(xiàn)輕量化結(jié)構(gòu)越來越重要,。另外是傳統(tǒng)的設(shè)計很難避免耦合結(jié)構(gòu)。
    對于設(shè)計方法主要有幾方面的需求,，一個是面向多場耦合結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,，比如單一的環(huán)境條件、單一的載荷或者多種載荷,。另外是多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計技術(shù),，包括結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計快速評價方法與工具。實際上做設(shè)計優(yōu)化的軟件已經(jīng)很多了,，但是把3D打印放進去之后,，涉及到工藝方面的做的相對少一些。針對這些問題形成一個全流程快速評價方法的工具,，我覺得還是很有必要的,。
    第二個是對于新的結(jié)構(gòu)構(gòu)型的設(shè)計，之前很多專家都提到了增材制造的優(yōu)勢,，可以針對結(jié)構(gòu)，尤其是新的構(gòu)型,，比如像點陣結(jié)構(gòu),。但是我們用的時候也有很多問題，一個問題是它的性能表征與評價現(xiàn)在是空白,，內(nèi)部微觀和宏觀相結(jié)合的結(jié)構(gòu)到底怎么去表征和評價,，現(xiàn)在沒有特別工程化的解決方法。第二個是清質(zhì)結(jié)構(gòu)功能一體化的設(shè)計方法,，結(jié)構(gòu)和功能結(jié)合起來以后,，結(jié)構(gòu)有評價方法，功能有評價,，這兩個結(jié)合起來怎么做,？現(xiàn)在沒有特別好的辦法,。第三個是結(jié)構(gòu)功能梯度優(yōu)化，涉及到不同結(jié)構(gòu),，涉及到有梯度,，在這種情況下我們怎么去優(yōu)化設(shè)計。
    后面是基于增材結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)需求,，有三方面：一個是性能與功能評價,，第二個是基于增材制造工藝約束，因為很多人說增材是所想即所得,，想什么東西就能制造出來,，實際上并不是這樣的。所以它的制造還是有很多約束的,，把這個約束放進去怎么進行設(shè)計,？另外是針對增材制造的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的一些規(guī)范和指南，給設(shè)計師去用,，實際上大部分的設(shè)計師并不太了解這個情況,，起碼我們的設(shè)計師并不是太了解。
    第四是對于增材制造技術(shù)的需求,。主要的需求,，一個是成形工藝需求，這里頭包括尺寸,、精度,、性能、速度,，以及工藝標(biāo)準(zhǔn),、新材料的需求和低成本的需求。
    （PPT圖示）這是我們做的對比,，現(xiàn)在比較普遍用的鋪粉和送粉工藝,，包括尺寸，我這里掌握的不一定特別全,，就是典型的尺寸,、精度、性能,、速度,。我個人理解，鋪粉工藝大型的構(gòu)件后面需求有,，但并不多,，所以鋪粉工藝更多是功能性結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)和功能相結(jié)合的這類結(jié)構(gòu),，因為它對構(gòu)件要求更多,。所以這類結(jié)構(gòu)適合在什么地方呢,？就是在發(fā)動機上面，因為發(fā)動機對于結(jié)構(gòu)和功能需求是最急迫,、最集中,，這種需求很多。為什么這么說呢,？比如剛才說的400,、500、800的設(shè)備,，比如鈦合金一缸粉就要幾百萬,，我現(xiàn)在想不出來什么樣的設(shè)計需要這個東西，我現(xiàn)在在腦子里沒有需要這么大設(shè)備去干的件,，這個成本太高了,。另外是送粉，送粉這類工藝主要是制批,，包括針對鍛件的之批它有很大的優(yōu)勢,，包括成本，這不是針對一類產(chǎn)品或者一類工藝的需求,。
    再講幾個我們遇到的比較典型的件,。一個是帶復(fù)雜冷卻槽道的大型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，這個比較適合用選型優(yōu)化,，但它的結(jié)構(gòu)相對比較大,。這種結(jié)構(gòu)和功能是一體化的結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)會大量用在發(fā)動機,，包括防熱結(jié)構(gòu),，都會用到。第二,，大型進氣道結(jié)構(gòu),，對內(nèi)表面難加工且有型面及粗糙度要求的大尺寸異型結(jié)構(gòu)對于近凈的需求。第三,，大型框架結(jié)構(gòu),，我們還是把它拆成一部分一部分的，比如若干個框和梁,，主要的工藝是采用鍛造之后鉚接的工藝，后面用成塊的3D打印,，最后再利用焊接,。3D打印出來的組織之后，焊接界面組織是優(yōu)于鍛造的組織去焊接的,，3D打印出來的件更適合采用這種工藝,，能夠把連接件的重量省下來,。第四，大型輕量化結(jié)構(gòu),，這種怎么來做也是一個難題,。第五，復(fù)雜的翼舵結(jié)構(gòu),，里面涉及到點陣,，還涉及到一種材料，比如前沿是耐高溫的材料,，后面是輕量化的材料,，表面涂覆等等。原型機制造,，包括小型構(gòu)件,，以及快速成形實現(xiàn)前期的仿真，包括一些模型,。
    剛才講的是一些典型的件,，后面涉及到我們做3D打印構(gòu)件缺乏的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，我們現(xiàn)在可以參考鍛件的標(biāo)準(zhǔn),，實際上有些東西還是沒法兒用的,，現(xiàn)在這個標(biāo)準(zhǔn)，包括原材料的標(biāo)準(zhǔn),、粉體的標(biāo)準(zhǔn),、制件流程的標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品驗收標(biāo)準(zhǔn),，這當(dāng)中當(dāng)然不是純的國家標(biāo)準(zhǔn),，是我們從設(shè)計一直到工藝這個過程的標(biāo)準(zhǔn)。因為現(xiàn)在這個方面基本上都是空白,，有一些比如像原材料,、驗收，還是在各個廠家內(nèi)部,，相互之間并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),。所以這點也對設(shè)計端造成了一些困擾，就是我到底怎么評價哪家做出來的東西是不是滿足我的要求,？滿足要求到什么程度,？實際上大家的標(biāo)準(zhǔn)都不一樣，每家拿出來的東西我還得再重新做一遍,。
    新材料的需求,，包括陶瓷的需求，因為現(xiàn)在速度提高了以后，比如像空間飛行,，它對于陶瓷機復(fù)合材料還是有很高需求的,。當(dāng)然現(xiàn)在國內(nèi)和國外做了很多這方面的工作，但是做的工作都偏小,，現(xiàn)在還沒有達到工程化應(yīng)用的程度,。
    剛才很多專家說了關(guān)于尼龍材料后面怎么用，實際上我們也考慮過,，尼龍材料的成本進一步降低,，是可以替代很多亞聲速的材料，雖然它的模量低一些,，但是對于我們要求不高的大型結(jié)構(gòu)材料可以做替代,。還有一種是高溫合金的需求，之前我們也做了高溫合金的構(gòu)件,。
    （PPT圖示）這是關(guān)于低成本的需求,，我列出來了一些我了解的粉材的成本，不一定特別準(zhǔn)確,，但差不多就是這個量級的,。因為鋪粉和送粉對粉的要求不一樣，成本也不一樣,，但是它最終的結(jié)果是一樣的,，粉的成本對于制件的成本影響還是比較大的。當(dāng)然我們后面怎么去降材料的成本,，是將制件成本很重要的一點,。
    最后講一下結(jié)構(gòu)設(shè)計工藝一體化的需求。原來整體過程是從設(shè)計到定型之間要走一條很長的路,，中間要進行很多改進設(shè)計,、優(yōu)化設(shè)計。我們現(xiàn)在要通過新的工藝,，實現(xiàn)從設(shè)計端一下到制造端的快速發(fā)展,，我們現(xiàn)在也在做這方面的工作，從設(shè)計端一下到制造端,，可以降低設(shè)計制造周期和成本,，提高協(xié)同效率。
    最后還是希望設(shè)計和工藝,、制造互相促進,，共同發(fā)展，相互理解,，實現(xiàn)高效發(fā)展的目標(biāo),。
    謝謝大家,。