盧秉恒：3D打印在航空航天領(lǐng)域的機(jī)遇和挑戰(zhàn)

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

　　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)國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目,。曾獲國家科技進(jìn)步二等獎,、國家技術(shù)發(fā)明二等獎、“做出突出貢獻(xiàn)的中國博士學(xué)位獲得者”稱號,、全國五一勞動獎?wù)碌泉勴?xiàng),。

　　顛覆性技術(shù)
　　“3D打印是一個嶄新的技術(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，在今后影響人們生產(chǎn)組織模式和社會生活的12項(xiàng)重大顛覆性技術(shù)中,，3D打印名列第9,，排在新材料和頁巖氣之前，到2030年,，3D打印的效益將達(dá)到0.6～1.2萬億美元,。這一預(yù)測后來又被提前,，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“重振制造業(yè)計(jì)劃”在國會提出的口號就是要“在美國發(fā)明,、在美國制造”,，他們提出了一個指標(biāo)：用一半的周期、一半的成本來完成產(chǎn)品的開發(fā),。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),，專家們提出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，3D打印也正處于一個產(chǎn)業(yè)發(fā)展的起步期,，很多企業(yè)都在加盟這個領(lǐng)域,，普遍認(rèn)為3D打印是一個很值得挖掘的一個金礦。

　　在盧秉恒看來,，3D打印是產(chǎn)品開發(fā)的利器,，它在做首件上是非常有利的�,！斑^去,，我們做試制的時候，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用工卡具,、刀具,、模具等等，因此大大簡化了工藝流程,，可以快速做出首件來進(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，采取切割加工時往往95%～97%的材料都會被切割掉,，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題�,！八�以從這個角度上來說,，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)周期和成本等對傳統(tǒng)制造提出了一個非常大的難題，而3D打印可以用全新的方式去對付這些難題,。例如,，鈦合金的切削加工是很難的，但對于3D打印來說,，看問題的角度變了,，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的3%,、5%提高到80%、90%,。另外,，3D打印完全可以實(shí)現(xiàn)個性化，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個月的時間，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)動機(jī)的成本約為25萬美元，需要花上2年的時間�,！�

　　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,，這個也是業(yè)界很多人提出置疑的問題。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)打印出來的,，哪一點(diǎn)有問題它就形成了一個缺陷,。盧秉恒肯定這種擔(dān)心是需要的，但他認(rèn)為：“實(shí)際上在宏觀制造中,，對微觀雜質(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打印是在一個點(diǎn)上形成一個瞬態(tài)的高溫,、一個瞬態(tài)的劇烈冷卻,，允許產(chǎn)生缺陷的體積會非常非常小，所以應(yīng)該說是最可靠的,�,！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,，因此會導(dǎo)致溫度場不均勻，可能會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,�,！斑@不是傳統(tǒng)凝固學(xué)所能解決的問題，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)來建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),，在這方面，我國正在積極做好相關(guān)工作,。
　　“3D打印也帶來了我們材料方面的科技革命,。”盧秉恒介紹,，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打印的一個優(yōu)勢是把不同的材料打印一起,，做成功能梯度的結(jié)構(gòu)，為我們開辟一個很大的創(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NASA做了一個能夠耐受3315℃高溫的合金,，來做“龍”飛船2號的發(fā)動機(jī)構(gòu)件,，從而大大提高了發(fā)動機(jī)的功率。受這個啟發(fā),，或許可以利用3D打印來驗(yàn)證材料基因組計(jì)劃研究中的方案,，來制造出超高強(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，我國的國產(chǎn)化設(shè)備銷售量基本上排世界第5,，裝機(jī)應(yīng)用量排第3,，專利論文數(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，這個是我們的責(zé)任,�,！睘榇耍�盧秉恒談及我國對增材制造行業(yè)的預(yù)測,。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,。這將帶來打印材料的基本供應(yīng)；價(jià)值大的元器件的國產(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)用方面與美國并駕齊驅(qū)�,！北R秉恒對此充滿信心,。他預(yù)測，不久的將來,，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

來源：中國航空報(bào)

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