3D打印:值得航空航天界特别青睐

【编者按】3D打印技术使用越来越广泛，比如医疗，建筑等等产业。现在连航空航天领域也涉及。相信不久3D打印技术在中国航空航天领域上的应用前景也将充满无限可能。

3D打印,将让人类在航空航天征途上飞得更快更高更远。国内3D打印及航空航天领域的专家们日前在首届“中国航空航天增材制造技术与应用论坛”上宣布,作为一项颠覆性的制造技术,3D打印将给航空航天领域带来重大变革。

3D打印为什么受到航空航天界的特别青睐?它会带给我们哪些改变?这得从3D打印技术的原理特点说起。

3D打印技术诞生于上世纪80年代的美国,是将物体进行三维结构化设计,采用分层加工、叠加成形的方式,以激光束或电子束作为热源,将塑料、金属合金、陶瓷等粉末材料按照预先设计的图形逐层高温熔化、凝固,最后得到与零件三维模型完全一致的真实零件,也叫“增材制造”。

如果说铸造技术像用模具在冰箱中冻冰棍,锻造技术像铁匠千锤百炼打铁器,那么3D打印则是一种全新的整体化制造技术,能大幅简化零件制造繁杂的工艺流程,大大地节省研制时间和提高原材料的利用率。

复杂零件轻松“搞定”

钱和时间省一半

不论是现代飞机还是航天器,都追求用尽可能少和轻的材料实现最大强度和刚度,因此构件常常采用“占空比”很大的异形设计,导致其结构特别复杂,形状似“歪瓜裂枣”,像做过“镂空”处理,用切削加工的方式制造则难度很大,有时95%的材料都被切割掉,且制造周期长达几个月。

3D打印技术恰恰弥补了常规制造方法的不足,能快速地打印出结构复杂的零件,是实现结构复杂零件产品化的捷径。

想象一下,将飞机的涡轮盘、框梁,航天发动机泵壳体、航天器的网格壁板密封舱等关键部件,从三维模型剖切成若干层二维“薄片”,那么不论这个三维零件结构多么复杂,只需逐层打印二维“薄片”并叠加粘结,就可快速将产品完整做出来。

前不久,我国成功发射的首枚新一代运载火箭“长征七号”的某试验搭载中,就有用到3D打印的钛合金构件。中国运载火箭技术研究院副总工程师陈济轮向新华社记者透露,采用3D打印只用7天就搞定以往好几个月才能加工完的零件。

中国工程院院士、北京航空航天大学教授王华明回忆说,国产大飞机C919机头工程样机的主风挡框、连接机翼和机身的上下缘条等钛合金大型复杂关键构件就曾采用3D打印制造,只用几十天时间完成了传统工艺耗时两年的工作,材料用量不足传统锻件的十分之一。

“若使用3D打印技术制造航空航天构件,至少可以压缩一半的周期和成本。”中国工程院院士、西安交通大学教授卢秉恒日前在首届“中国航空航天增材制造技术与应用论坛”上介绍,美国宇航局2013年通过3D打印技术制造的J—2x火箭发动机喷注器就在高温点火试验中产生了创纪录的9吨推力,并使整体式喷注器组零件数由原来的115个集成为2个,大大提高了生产效率。

从空间“五金店”

到“太空工厂”

“缩短型号研发流程,实现复杂结构产品的小批量快速制造只是3D打印作为颠覆性技术的一个方面。”陈济轮认为,3D打印将会打破传统制造工艺对先进结构设计的制约,让产品设计师放手做出“天马行空”的设计。

如今,3D打印已将人类生产制造活动延展到外太空。众所周知,太空环境与地面上完全不同,就是紧固螺帽这么简单的工作,在空间站都受到极大制约,更别说制造工具。因而在3D打印机被送上太空以前,人类进入太空就像去户外露营,得把要用的工具都带齐全。但自从空间站有了3D打印机,宇航员可以随时设计打印出急需的个性化工具,就像多了个空间“五金店”。美国宇航局的地面工作人员就曾通过电子邮件给空间站传了一个数字模型文件,由空间站上的宇航员自主地3D打印出一个急需的套筒扳手。

据悉,美国宇航局计划将3D打印技术应用到太空发射系统的创建和“猎户座”飞船的火箭部件上,并使之成为未来登陆火星计划的一部分。

曾任欧洲空间局局长的让·雅克·多尔丹近日在北京接受新华社记者采访时表示,3D打印技术应用前景广阔,或将在未来空间资源开发利用中,帮助人们直接在太空中进行矿产开发与深加工,实现飞行器在空间维修和燃料加注,使人类在深空探测中走得更远。

科学家相信,随着3D打印技术的不断进步,人类未来有可能将地面制造工厂搬到外太空,利用太空中真空、超低温等特殊环境和无限的空间及能源,制造出更多高精尖的产品。

助力中国空天制造

机遇与挑战并存

在麦肯锡公司2013年公布的一份报告中,3D打印在今后影响人们生产组织模式和社会生活的十二项的重大颠覆性技术中名列第九。欧美各国都意识到3D打印技术在航空航天领域的优势以及在空间站建设、深空探测等领域的潜在应用前景,各自形成了3D打印发展路线图,并在航空航天领域积极作出部署。

“我国的3D打印相比国外,研究起步并不晚,某些方面还处于领先地位,但应看到,我国3D打印的产业发展较慢,企业规模不足。”卢秉恒院士坦言,目前仍存在着大型零件批量化生产难度大,产品的疲劳强度等性能满足适航条件难,缺乏统一的制造和校验标准、设备昂贵等瓶颈,和国外相比,存在数量级的差距。

如今,中国对3D打印技术日益重视,迎来3D打印良好的发展机遇。3D打印已被当作“中国制造2025”的一项重要工程来发展,国家已制订了相应的发展规划,并从十三五开始进行财力支持。

可以预见,随着3D打印技术规模产业化,传统的工艺流程、生产线、工厂模式、产业链组合都将面临深度调整。3D打印技术在中国航空航天领域上的应用前景也将充满无限可能。

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