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3D打印在航空航天领域的前景
2016-07-14

  我国机械制造与自动化领域著名科学家,现为中国工程院院士,西安交通大学教授、博士生导师,任快速制造国家工程研究中心主任、国务院机械学科评议组召集人、中国机械工程学会副理事长、中国机械制造工艺协会副理事长、全国高校金属切削机床学会理事长。

  卢秉恒主要从事快速成形制造、微纳制造、生物制造、高速切削机床等方面的研究,先后主持20余项国家重点科技攻关项目。曾获国家科技进步二等奖、国家技术发明二等奖、“做出突出贡献的中国博士学位获得者”称号、全国五一劳动奖章等奖项。

  颠覆性技术

  “3D打印是一个崭新的技术,还有非常大的发展空间。”卢秉恒院士介绍,增材制造是近30年才发展起来的,而我们比较熟悉的铸、锻、焊已经有 3000年的历史了,切割加工也具有300多年的历史。根据2013年麦肯锡研究报告预测,在今后影响人们生产组织模式和社会生活的12项重大颠覆性技术中,3D打印名列第9,排在新材料和页岩气之前,到2030年,3D打印的效益将达到0.6~1.2万亿美元。这一预测后来又被提前,预计到2025年 3D打印可能产生高达5500亿美元的效益。美国“重振制造业计划”在国会提出的口号就是要“在美国发明、在美国制造”,他们提出了一个指标:用一半的周期、一半的成本来完成产品的开发。为了实现这一目标,专家们提出3D打印是促进这一指标的有效手段。卢秉恒认为,3D打印正处于技术发展的井喷期,近两三年国内有很多大的创新,使非金属制造的效率提高了几十倍,金属制造的效率也提高了近十倍;同时,3D打印也正处于一个产业发展的起步期,很多企业都在加盟这个领域,普遍认为3D打印是一个很值得挖掘的一个金矿。

  在卢秉恒看来,3D打印是产品开发的利器,它在做首件上是非常有利的。“过去,我们做试制的时候,最难的就是做样件,一架新飞机的研发周期需要 10~20年。有了3D打印,我们就可以免除做首件所需要的专用工卡具、刀具、模具等等,因此大大简化了工艺流程,可以快速做出首件来进行装配、试验、验证。”卢秉恒举例,像飞机典型的结构件大部分是框、梁、架、桁,这些东西的长度和面积都很大,但是实际上所需材料并不多,设计要求用最少的材料来实现最高的强度和刚度。3D打印是上述结构非常理想的一种指导方法,它可以克服结构件占有空间大、形状复杂,采取切割加工时往往95%~97%的材料都会被切割掉,而且在切割加工中变形非常大,且加工所用机床的制造难度非常大等问题。“所以从这个角度上来说,3D打印在航空航天领域是一项颠覆性技术。”卢秉恒认为。航空航天所面对的是难加工的材料,它的复杂结构、加工变形控制、研发周期和成本等对传统制造提出了一个非常大的难题,而3D打印可以用全新的方式去对付这些难题。例如,钛合金的切削加工是很难的,但对于3D打印来说,看问题的角度变了,反而成了最容易的成形方法。3D打印可以使材料的利用率从原来的3 %、5%提高到80%、90%。另外,3D打印完全可以实现个性化,非常适合航空航天多品种、小批量、大型复杂结构的制造。

  现在已经有很多很好的案例,卢秉恒介绍道:“弗吉尼亚大学两位学生通过3D打印技术制造出一架模型飞机并成功试飞。只花了4个月的时间,成本也只是2000美元。而就在5年前,制造这样的塑料涡扇发动机的成本约为25万美元,需要花上2年的时间。”

  美好但不完美

  “3D打印这么美好,但是我们还需要进行很多深入的研究。”卢秉恒直言。例如,用于航空领域,需要结构件具备很好的疲劳性能,这个也是业界很多人提出置疑的问题。尽管从理论上分析,用3D打印可以获得很好的组织结构。比如设想,飞机发动机的叶片之所以做得好,就是因为它的温度梯度非常高,因此它的晶粒很细。而与发动机叶片的温度梯度(每厘米几十度)相比较,3D打印的温度梯度在每毫米上千度,在这么高温度梯度下,3D打印产生的晶粒肯定是很细的。当然也有人不放心,认为3D打印是一点一点打印出来的,哪一点有问题它就形成了一个缺陷。卢秉恒肯定这种担心是需要的,但他认为:“实际上在宏观制造中,对微观杂质的混入是不可避免的,正如铸造中夹杂、气孔等缺陷,即使经过锻造,也只是改变了铸造后的形状,气孔体积缩小一点、形状变化一点,但仍然存在。而 3D打印是在一个点上形成一个瞬态的高温、一个瞬态的剧烈冷却,允许产生缺陷的体积会非常非常小,所以应该说是最可靠的。”当然,卢秉恒也表示,要达到这种可靠性必须每一点上的工艺条件都控制得非常好。但实际上,在3D打印中,激光扫描也是有惯性质量的,由于光斑能量分布不均,因此会导致温度场不均匀,可能会产生内应力。“这不是传统凝固学所能解决的问题,我们需要深度研究在3D打印情况下,逐点瞬态的热力历程及其强非平衡态机理。”卢秉恒坦言,“我们很多的短板还是在基础研究上,如果这些难点不克服,我们对3D打印的航空件能否接受疲劳试验还是存有疑虑的。”

  此外,卢秉恒认为缺乏标准也是问题之一。3D打印的结构件用在航空上,尤其是用在民航上,需要达到适航条件。为此需要大量的试验来建立相关标准,在这方面,我国正在积极做好相关工作。

  材料革命

  “3D打印也带来了我们材料方面的科技革命。”卢秉恒介绍,3D打印使材料从增量走向增材。单一材料的制造可以把它叫作增量制造,而3D打印的一个优势是把不同的材料打印一起,做成功能梯度的结构,为我们开辟一个很大的创新空间,可以把材料设计在它最能发挥效益的地方。例如,表面是最耐磨、耐蚀的材料,里面是强度、刚度最好的材料,把不同的材料放在一起才是真正的增材制造。进一步设想,从增材到创材。美国NASA做了一个能够耐受3315℃高温的合金,来做“龙”飞船2号的发动机构件,从而大大提高了发动机的功率。受这个启发,或许可以利用3D打印来验证材料基因组计划研究中的方案,来制造出超高强度、超高耐温、超强韧、超高抗湿等各种不同用途的新的合金材料。

  总而言之,3D打印是一个引领性的制造业共性技术,它可以支持产品快速开发,支持创新产品的结构设计,支持制造模式创新,使制造从控形制造走向控性制造,从增量走向增材,从增材走向创材,从创材甚至走向创生。

  产业生态不可限量

  目前,在3D打印领域,我国的国产化设备销售量基本上排世界第5,装机应用量排第3,专利论文数量排第2,但是我们还有很多的弱项,存在产业规模小、缺乏核心技术和标准、缺乏各层次人才等问题。

  “如何把产业做大,尤其是让航空航天这种重要产业能从3D打印中受益,这个是我们的责任。”为此,卢秉恒谈及我国对增材制造行业的预测。预备在10 年内(2015~2025年)直接产值达到1000亿元,制造业扩散效益达6000~10000亿元。这将带来打印材料的基本供应;价值大的元器件的国产化供应;3D打印将显著影响产品设计和日用品的个性化制造;并将成为航空航天领域复杂零件的小批量制造手段。“到2035年,我们将进入第一方阵,增材制造产业规模将位居世界第二,在装备研发与生产、适用材料和尖端领域应用方面与美国并驾齐驱。”卢秉恒对此充满信心。他预测,不久的将来,3D打印将从概念上的三足鼎立走向价值分享的三分天下,即便在批量生产方面3D打印或许没有模具制造、切削加工那么大,但它可以制造出一些具有高端价值的产品,在总价值的体现上必将占有一定市场。

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