把飞机“打印”出来

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所属分类:百科知识2014年

CST-100载人飞船“灵感火星”太空船

  3D打印技术又称“增材制造技术”,实际上是一类利用光固化、纸层叠或熔融沉积等手段的新型快速成型技术。3D打印技术最早出现在20世纪90年代,它与普通打印工作原理有类似之处:3D打印机(装置)内装有液体或粉末等“打印材料”,与电脑连接后,通过电脑控制把“打印材料”一层层累积起来,最终把计算机上的虚拟模型变成实物。

  这种技术已经在珠宝、工业设计、建筑工程和施工、汽车、牙科和医疗产业、教育、地理信息、土木工程、枪支制造等领域开始应用。对于航空航天领域来说,3D打印仍然是一项非常前沿的制造技术。但是近几年,一些全球领先的航空制造企业已开始逐渐涉足这一领域,成果频出。

  走向应用

  在多数人眼里,3D打印还是一个新生事物,其实早在30年前,研究人员已经开始酝酿关于3D打印的设想。从20世纪70年代诞生到现在,3D计算机辅助设计经历了飞跃式发展,已成为广大设计人员的有力助手。快速成型技术的发展几乎与3D计算机辅助设计的发展同步,人们从使用3D计算机辅助设计的那天起就希望能够方便地将设计“转化”为实物,因此也就有了发明3D打印机的想法。

  在目前的3D打印机行业中,美国Z公司和斯特塔西公司两家是理所当然的“巨头”。Z公司源起于1994年。当时,几个来自麻省理工学院的技术专家发明了3D打印技术并申请了专利。1997年,他们为将3D打印技术推向市场,成立Z公司。从那时起,Z公司就一直占据着3D打印机市场的半壁江山。斯特塔西公司成立于1990年,以研发基于熔融沉积技术的快速成型机见长。由于熔融沉积技术的3D打印机具有得天独厚的优势,适合汽车、家电、电动工具、机械加工、精密铸造及工艺品制作,因此斯特塔西公司的产品也在全球3D打印机市场占据了巨大份额。

  成果频出

  本世纪以来,3D打印进入快速成长期。2011年6月,英国南安普顿大学的研究者利用3D打印技术制作了一架翼展约2米、最高时速可达160千米的小型飞机。这也是世界上第一架3D打印且可飞行的飞机。2013年1月,中国的王华明联合研发团队打印出了大型飞机整体钛合金关键构件,并且凭 借“3D激光快速成形技术”获得中国的国家技术发明一等奖。2013

  年5月,同济大学利用3D技术打印出的微小飞机试飞成功。2013~2014年,中国一家自动控制研究所在某复杂传感器外壳的再造实验中获得成功,并开始了某型惯导台体3D打印的生产加工(现代飞机和导弹上都有惯导台体。所谓“惯导”,就是利用物体惯性来制导的仪表,最常见的为陀螺仪。所谓“惯导台体”就是安装惯导的支架)。2014年,美国霍尼韦尔成功地利用3D打印技术生产出了单晶铸件,并装配至TFE731-60型发动机的涡轮叶片上。这款发动机正为达索旗下的猎鹰900公务机提供动力。现在,空客公司在A380飞机的客舱里已经使用了3D打印的行李架;“台风”战斗机中也使用了3D打印的空调系统。最近,空客公司提出了“透明飞机概念”计划,并制定了一张“路线图”。该公司计划从打印飞机的小部件开始,一步一步发展,希望最终在2050年前后用3D打印机打印出整架飞机来。

  一场革命

  随着3D打印技术逐步向实际应用阶段过渡,它将为航空制造业带来巨大的技术变革。

  首先,新型航空产品的研发将伴随3D打印技术的发展而加速发展。从事过产品设计的人都知道,设计时仅仅考虑产品功能是远远不够的,还需要考虑工艺可行性、产品检验、品质保证等等。3D打印,特别是金属3D打印,使相关核心件的设计完全摆脱了工艺制约。铸造不了、锻造不了、机械加工不了的复杂构件,对于3D打印都不是障碍。长期以来,在我国航空工业,人们不是不知道采用什么样的结构可以让航空器实现更优秀的性能,但工艺技术的落后使得人们即使知道应该做成什么样,可受制于制造业水平,有心无力,很难在实际生产中做出想要的产品。从这个角度看,金属3D打印技术解除了对设计人员的巨大束缚,产品研发由此变得相对简单快捷。

  其次,3D打印技术大大节省了产品样件研制的费用。在传统的新产品开发中,制造样件是必不可少的步骤。前提是需要有样件的模具。在产品最终定型前,模具不需要耐用,成本可适当降低,但降低幅度相对有限。在随后的多次试验中,人们往往需要根据试验结果修改设计,修改后要再做模具、再试验,如此重复10次甚至更多次是很正常的。在这一过程中,模具制作时间几乎要占据一半以上的产品开发时间,试验所需时间约占30%的产品开发时间;在模具制作中,模具制造费用也要占到产品开发成本的50%~70%;其他为试验费用、研发人员工资等;模具完成后,样件的加工成本则几乎可以忽略不计。以美国第四代歼击机F22为例,一种机型的开发费用就达数百亿美元,其中大部分开支就花在模具制造上面。3D打印技术则使产品开发摆脱了样件模具加工制作环节,设计制作出的样件与成熟产品并无二致,人们不再需要天价的模具费用投入。与此同时,样件制作时间甚至可缩短为原来的数十分之一。

  第三,3D打印技术可以显著减轻飞机的结构重量。减轻结构重量是飞机研制的基本技术需求,这直接关系到飞机的燃油经济性。长期以来,传统制造技术已经被发挥到接近极限,难以再有更大的作为。过去,对于大型复杂构件,传统商用制造工艺无法完成,必须拆为几个部件来做,然后再进行组合。如今,3D打印可以实现零部件一次成型,这不仅增加了零部件的完整性,同时也有助于减轻零部件的重量。此外,通过金属3D打印高性能增材制造技术,还可以在获得同样性能或更高性能的前提下,通过最优化设计来显著减轻金属结构件的重量。

  第四,3D打印技术可显著节约昂贵的战略金属资源。由于对高性能有着近乎苛刻的要求,航空器需要大量使用钛合金等高性能、难加工的贵金属材料。但是,很多贵金属材料的利用率却非常低,多数低于10%,有时甚至仅为2%~5%。大量昂贵的金属材料变成了难以再利用的废屑,同时伴随着极大的机械加工量。作为一种高性能近净成型技术,金属3D打印高性能增材制造技术可以把高性能金属零件制造的材料利用率提高到60%~95%,甚至更高,同时机械加工量将显著减少。

  短板与局限

  3D打印作为一种神奇的技术,具有得天独厚的优势。与此同时,也有许多缺点限制了它在航空领域中的广泛使用。

  首先是技术门槛很高。

  3D打印特别是金属材料的3D打印,近年来在技术上取得了突破。但其技术准入门槛依然很高。欧美发达国家企业在这项研究中耗时多年,仍只能做一些小零件,制作稍大些的零件时极易出现产品缺陷。打印中,关于保护气氛(金属打印要在惰性气体,譬如氮气环境下实施,这样可以防止打印过程中发生氧化)、温度控制、材料成分颗粒度和纯净程度、打印速度、激光功率及光斑尺寸调整等指标都有严格规定,相关参数的调节,非经培训的专业人员根本无法完成。以北京航空航天大学王华明教授组的3D打印设备为例,该机器的激光器在国内不能生产,必须从美国进口。一旦使用3D打印技术生产军用物品,很可能被掌握专利技术的发达国家“卡脖子”。

  二是产品打印制造成本很高。

  仍以王华明教授的3D打印设备为例,该机器的成本现在为2000万元/套,一年可加工8吨产品。根据工业生产的特点,产品批量制造后,机器成本有可能降到每套500万元甚至是200万元。目前打印出来的产品价格为1万元/千克,其中材料费不足1000元/千克。毛利率为90%多。但通过类比,我们发现:目前汽车发动机的制造成本为80~100元/千克,汽车的成本为50~100元/千克,普通工业(金属)制成品的价格与之类似或更低。这一价格只有3D打印价格的1/100。因此,用3D打印替代传统工艺进行大批量生产,并不现实;也许只有为追求性能而不惜成本的军用航空产品才可以考虑这么做。

  三是3D打印产品的质量问题。

  和传统加工方式相比,3D打印材料性的强度、刚度、机械加工性等仍不够成熟。由于采用层层叠加的增材制造工艺,各层之间的黏结即使再紧密,通常也无法和传统工艺零件相媲美。这意味着在一定外力条件下,打印出来的部件更容易失效。近日,华中科技大学材料学院史玉升教授在接受采访时表示,部分3D打印金属产品强度性能上可接近同类锻造产品的水平。但是,要真正作为飞机的主要结构受力构件,3D打印技术生产出的产品仍不足以令人放心。

  此外,由于3D打印是一层一层“堆积”的,虽然每层都很薄,但在微观尺度下,打印物体的表面仍会留下一级级细小的“台阶”,形成所谓的“台阶效应”。“台阶效应”会造成产品精度上的偏差,导致产品表面工艺不够精细,甚至需要进行二次加工。不幸的是,对于采用3D打印技术生产出的细长体或薄壁体金属构件来说,二次加工往往又是极其困难的事情。

  另外,3D打印过程中,打印头下方的局部材料温度很高,而周围的材料温度较低。“冷热”不均会使得打印体内部产生复杂应力,进而使打印体发生变形。这种现象对于通过3D技术打印出的大型构件来说尤为显著。

  总之,只有以上问题一一得到解决,3D打印技术才能在航空制造领域得到全面推广。

  【责任编辑】赵 菲

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