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金属三维打印机在航空航天领域的机遇

三维打印

金属三维打印机在航空航天领域的机遇(三维打印)

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。

三维打印

三维打印是颠覆性技术

三维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,三维打印名列第9,排在新材料和页岩气之前,到2030年三维打印的效益将达到0.61.2万亿美元。这一预测后来又被提前,预计到20253三维打印可能产生高达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,专家们提出三维打印是促进这一指标的有效手段。卢秉恒认为三维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;同时三维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,普遍认为三维打印是一个很值得挖掘的一个金矿。

在卢秉恒看来三维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1020年。有了三维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。三维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,三维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,而三维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,但对于三维打印来说,看问题的角度变了,反而成了最容易的成形方法。三维打印可以使材料的利用率从原来的3%5%提高到80%90%。另外三维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三维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。

三维打印  

三维打印美好但不完美

三维打印这么美好,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三维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)相比较三维打印的温度梯度在每毫米上千度,在这么高温度梯度下三维打印产生的晶粒肯定是很细的。当然也有人不放心认为三维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。而三维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。但实际上在三维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三维打印情况下,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,我们对三维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。三维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。

三维打印

三维打印材料的革命

三维打印也带来了我们材料方面的科技革命。卢秉恒介绍三维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,而三维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三维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。

总而言之三维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。

三维打印

三维打印产业生态不可限量

目前在三维打印领域,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;三维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。他预测不久的将来三维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三维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。

金属三维打印机在航空航天领域的机遇友情链接:金属3D打印机液态金属日本牧野