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3D打印,將讓人類(lèi)在航空航天征途上飛得更快更高更遠(yuǎn)。國(guó)內(nèi)3D打印及航空航天領(lǐng)域的專(zhuān)家們?nèi)涨霸谑讓谩爸袊?guó)航空航天增材制造技術(shù)與應(yīng)用論壇”上宣布,作為一項(xiàng)顛覆性的制造技術(shù),3D打印將給航空航天領(lǐng)域帶來(lái)重大變革。

3D打印為什么受到航空航天界的特別青睞?它會(huì)帶給我們哪些改變?這得從3D打印技術(shù)的原理特點(diǎn)說(shuō)起。

3D打印技術(shù)誕生于上世紀(jì)80年代的美國(guó),是將物體進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì),采用分層加工、疊加成形的方式,以激光束或電子束作為熱源,將塑料、金屬合金、陶瓷等粉末材料按照預(yù)先設(shè)計(jì)的圖形逐層高溫熔化、凝固,最后得到與零件三維模型完全一致的真實(shí)零件,也叫“增材制造”。

如果說(shuō)鑄造技術(shù)像用模具在冰箱中凍冰棍,鍛造技術(shù)像鐵匠千錘百煉打鐵器,那么3D打印則是一種全新的整體化制造技術(shù),能大幅簡(jiǎn)化零件制造繁雜的工藝流程,大大地節(jié)省研制時(shí)間和提高原材料的利用率。

復(fù)雜零件輕松“搞定”錢(qián)和時(shí)間省一半

不論是現(xiàn)代飛機(jī)還是航天器,都追求用盡可能少和輕的材料實(shí)現(xiàn)最大強(qiáng)度和剛度,因此構(gòu)件常常采用“占空比”很大的異形設(shè)計(jì),導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜,形狀似“歪瓜裂棗”,像做過(guò)“鏤空”處理,用切削加工的方式制造則難度很大,有時(shí)95%的材料都被切割掉,且制造周期長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月。

3D打印技術(shù)恰恰彌補(bǔ)了常規(guī)制造方法的不足,能快速地打印出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件,是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件產(chǎn)品化的捷徑。

想象一下,將飛機(jī)的渦輪盤(pán)、框梁,航天發(fā)動(dòng)機(jī)泵殼體、航天器的網(wǎng)格壁板密封艙等關(guān)鍵部件,從三維模型剖切成若干層二維“薄片”,那么不論這個(gè)三維零件結(jié)構(gòu)多么復(fù)雜,只需逐層打印二維“薄片”并疊加粘結(jié),就可快速將產(chǎn)品完整做出來(lái)。

前不久,我國(guó)成功發(fā)射的首枚新一代運(yùn)載火箭“長(zhǎng)征七號(hào)”的某試驗(yàn)搭載中,就有用到3D打印的鈦合金構(gòu)件。中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院副總工程師陳濟(jì)輪向新華社記者透露,采用3D打印只用7天就搞定以往好幾個(gè)月才能加工完的零件。

中國(guó)工程院院士、北京航空航天大學(xué)教授王華明回憶說(shuō),國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919機(jī)頭工程樣機(jī)的主風(fēng)擋框、連接機(jī)翼和機(jī)身的上下緣條等鈦合金大型復(fù)雜關(guān)鍵構(gòu)件就曾采用3D打印制造,只用幾十天時(shí)間完成了傳統(tǒng)工藝耗時(shí)兩年的工作,材料用量不足傳統(tǒng)鍛件的十分之一。

“若使用3D打印技術(shù)制造航空航天構(gòu)件,至少可以壓縮一半的周期和成本。”中國(guó)工程院院士、西安交通大學(xué)教授盧秉恒日前在首屆“中國(guó)航空航天增材制造技術(shù)與應(yīng)用論壇”上介紹,美國(guó)宇航局2013年通過(guò)3D打印技術(shù)制造的J—2x火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器就在高溫點(diǎn)火試驗(yàn)中產(chǎn)生了創(chuàng)紀(jì)錄的9噸推力,并使整體式噴注器組零件數(shù)由原來(lái)的115個(gè)集成為2個(gè),大大提高了生產(chǎn)效率。

從空間“五金店”到“太空工廠”

“縮短型號(hào)研發(fā)流程,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的小批量快速制造只是3D打印作為顛覆性技術(shù)的一個(gè)方面。”陳濟(jì)輪認(rèn)為,3D打印將會(huì)打破傳統(tǒng)制造工藝對(duì)先進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的制約,讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)師放手做出“天馬行空”的設(shè)計(jì)。

如今,3D打印已將人類(lèi)生產(chǎn)制造活動(dòng)延展到外太空。眾所周知,太空環(huán)境與地面上完全不同,就是緊固螺帽這么簡(jiǎn)單的工作,在空間站都受到極大制約,更別說(shuō)制造工具。因而在3D打印機(jī)被送上太空以前,人類(lèi)進(jìn)入太空就像去戶(hù)外露營(yíng),得把要用的工具都帶齊全。但自從空間站有了3D打印機(jī),宇航員可以隨時(shí)設(shè)計(jì)打印出急需的個(gè)性化工具,就像多了個(gè)空間“五金店”。美國(guó)宇航局的地面工作人員就曾通過(guò)電子郵件給空間站傳了一個(gè)數(shù)字模型文件,由空間站上的宇航員自主地3D打印出一個(gè)急需的套筒扳手。

據(jù)悉,美國(guó)宇航局計(jì)劃將3D打印技術(shù)應(yīng)用到太空發(fā)射系統(tǒng)的創(chuàng)建和“獵戶(hù)座”飛船的火箭部件上,并使之成為未來(lái)登陸火星計(jì)劃的一部分。

曾任歐洲空間局局長(zhǎng)的讓·雅克·多爾丹近日在北京接受新華社記者采訪時(shí)表示,3D打印技術(shù)應(yīng)用前景廣闊,或?qū)⒃谖磥?lái)空間資源開(kāi)發(fā)利用中,幫助人們直接在太空中進(jìn)行礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)與深加工,實(shí)現(xiàn)飛行器在空間維修和燃料加注,使人類(lèi)在深空探測(cè)中走得更遠(yuǎn)。

科學(xué)家相信,隨著3D打印技術(shù)的不斷進(jìn)步,人類(lèi)未來(lái)有可能將地面制造工廠搬到外太空,利用太空中真空、超低溫等特殊環(huán)境和無(wú)限的空間及能源,制造出更多高精尖的產(chǎn)品。

助力中國(guó)空天制造機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存

在麥肯錫公司2013年公布的一份報(bào)告中,3D打印在今后影響人們生產(chǎn)組織模式和社會(huì)生活的十二項(xiàng)的重大顛覆性技術(shù)中名列第九。歐美各國(guó)都意識(shí)到3D打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)以及在空間站建設(shè)、深空探測(cè)等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用前景,各自形成了3D打印發(fā)展路線圖,并在航空航天領(lǐng)域積極作出部署。

“我國(guó)的3D打印相比國(guó)外,研究起步并不晚,某些方面還處于領(lǐng)先地位,但應(yīng)看到,我國(guó)3D打印的產(chǎn)業(yè)發(fā)展較慢,企業(yè)規(guī)模不足。”盧秉恒院士坦言,目前仍存在著大型零件批量化生產(chǎn)難度大,產(chǎn)品的疲勞強(qiáng)度等性能滿足適航條件難,缺乏統(tǒng)一的制造和校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備昂貴等瓶頸,和國(guó)外相比,存在數(shù)量級(jí)的差距。

如今,中國(guó)對(duì)3D打印技術(shù)日益重視,迎來(lái)3D打印良好的發(fā)展機(jī)遇。3D打印已被當(dāng)作“中國(guó)制造2025”的一項(xiàng)重要工程來(lái)發(fā)展,國(guó)家已制訂了相應(yīng)的發(fā)展規(guī)劃,并從十三五開(kāi)始進(jìn)行財(cái)力支持。

可以預(yù)見(jiàn),隨著3D打印技術(shù)規(guī)模產(chǎn)業(yè)化,傳統(tǒng)的工藝流程、生產(chǎn)線、工廠模式、產(chǎn)業(yè)鏈組合都將面臨深度調(diào)整。3D打印技術(shù)在中國(guó)航空航天領(lǐng)域上的應(yīng)用前景也將充滿無(wú)限可能。