3D 打印技術在航空制造領域的發展初探

       3D 打印技術作為一項快速成形技術,一經問世便受到社會的廣泛關注,如今更成為各國爭相追捧的對象。隨著 3D 打印技術在各個領域的普及,人們越來越發現這種先進技術有著巨大的發展潛力和應用空間。在航空航天領域使用 3D 打印技術,也已成為世界各國的潮流。

       目前的 3D 打印技術通常包括固化成形技術、疊層實體制造技術、熔融沉積造型技術和激光燒結技術。在航空制造領域,高性能金屬構件激光成形技術是最前沿的 3D 打印技術。該技術是以合金粉末為原料,通過激光熔化逐層堆積,從零件數模一步完成高性能大型復雜構件的成形。成形構件形狀之復雜,節省材料程度之高,是傳統鑄造和機械加工方法難以企及的。

       中國航空制造業在 3D 打印技術上已經走在了前列,多個型號飛機使用了 3D 打印部件, 部分技術已經達到世界領先水平。

       1、設計與制造無縫連接

       貫穿飛機研發全過程使用傳統制造方式生產飛機的零部件,其結構設計、材料選擇、制造、維護等模塊均是相互獨立的,在此過程中,難免出現前后銜接不順暢、返工或是拖延時間   等問題,而 3D 打印技術很好地解決了這一難題,它將以上過程融為一體,共享一個數據平臺, 實時反饋各方面的意見,實現了設計與制造的無縫鏈接。目前 3D 打印技術在飛機的設計、制造和維護全過程中都得到有效應用。在研制階段,可以通過 3D 打印技術制造等比例模型;在制造階段,3D 打印技術可用于加工制造關鍵零部件;在維修過程中,可通過 3D 打印技術,用同一材料將缺損部位修補成完整形狀,修復后的零件性能不受影響,大大節約了時間和金錢。

       2、激光打印大型鈦合金構件問世,滿足主承力要求

       2013 年 5 月,在第十六屆中國北京國際科技產業博覽會上,獲得 2012 年度“國家技術發明獎一等獎”的飛機鈦合金大型整體關鍵構件激光成形技術一經展出,備受矚目。該技術使中國成為迄今世界上唯一掌握高性能大型金屬零件激光直接制造技術并付諸應用的國家。經過多年的研究和探索,我國掌握了金屬零件激光快速成形的關鍵工藝及組織性能控制方法, 提出原創性的“熱應力離散控制”新方法,成功解決了大型鈦合金構件在激光快速成形過程中嚴重翹曲和開裂的難題。此外,提出激光快速成形大型鈦合金主承力結構件凝固晶粒尺寸、   晶粒形態和晶體取向主動控制新方法,諸多巨大突破使所成形的飛機鈦合金結構件綜合力學性能大大提升。北京航空航天大學王華明教授表明,激光打印的零件,等同甚至超過鍛件的性能,抗疲勞性能比鍛件高 32%~53%,疲勞裂紋擴展速率降低一個數量級。公開的材料表明,我國已經能夠生產優于美國的激光成形鈦合金構件。我國在飛機鈦合金大型整體結構件激光快速成形方面取得的重要突破令美國震驚,F-22 戰機的鈦合金整體式承力框,曾經是世界上最大的一體式鈦合金構件,但這已成為過去的紀錄。迄今為止,我國已經用激光打印技術直接制造了 30 多種鈦合金等大型復雜關鍵金屬零件,在大型運輸機、艦載機、C919 大型客機、殲擊機等飛機中裝機應用。

       3、材料損耗大大降低,提高戰機鈦合金的利用率

       航空工業 3D 打印技術使用的主要材料包括鈦合金、鋁鋰合金、超高強度鋼、高溫合金等。這些材料基本都是強度高、不易成形加工、傳統加工工藝成本高昂的類型。以軍用飛機的關鍵材料鈦合金為例，其以質輕、高強、耐高溫、耐腐蝕等優異性能成為軍用飛機的關鍵材料。為有效降低裝備結構重量，提高裝備性能、使用壽命和可靠性，飛機、航空發動機等裝備越來越多地采用大型鈦合金整體結構。然而，鈦合金特殊的材料屬性，給傳統加工帶來了巨大難度。采用整體鍛造等傳統方法制造大型鈦合金結構件，工序長，工藝復雜。對制造技術和制造裝備的要求高．成形技術難度大．不僅需要萬噸級以上的重型液壓

       鍛造裝備、大規格鍛坯及大型鍛造模具，而且即使加工出來，內應力和變形開裂的問題使其性能難以達標。因此．使用傳統鍛造技術造出的零件，尺寸往往控制在 4.5m 以內。除此之外，鈦合金零件加工去除量大．數控加工時間長、材料利用率低、生產周期長、制造成本高。有資料顯示，1t 鈦合金要 40～50 萬元，一個發動機葉盤，傳統工藝制造近似于“雕刻”，最后剩下的只有 7％。這意味著 93％的原材料都被浪費。美國的 F 一 22 飛機中尺寸最大的鈦合金整體加強框所需毛坯模鍛件重達 2796kg．而實際成形零件重量不足144kg，造成大量的原材料損耗。鈦合金傳統加工的以上弊端，嚴重影響了其在航空制造領   域的應用．

       作為航空 3D 打印的前沿技術，激光快速成形改變了這一現狀。中國利用激光打印直接制造 C919 飛機的中央翼根肋，傳統鍛件毛坯重達 1607 kg。而利用激光快速成形技術制造的精坯重量僅為 136 kg，節省了 91．5％的材料，經過測試，其性能優于傳統鍛件。鈦合金激光成形技術憑借其造價低、速度快的特點，使中國生產的鈦合金結構部件迅速成為中國航空力量的一項獨特優勢．目前．中國先進戰機上的鈦合金構件所占比例已超過 20％。4、3D 打印材料設備有限,有待重點研發目前。

       航空制造工業 3D 打印技術使用的主要材料僅限于鈦合金、高溫合金之類強度高、不易成形加工且傳統加工工藝成本高昂的類型。發展全新材料，特別是復合材料、功能材料等將是當前及今后的研究熱點之一。打印機作為 3D 打印技術的主要設備。其先進程度直接決定了該技術的成敗。以激光快速成形技術為例目前我國所使用的激光器仍靠進口，這使該技術的研發進度受到限制．只有研發自己的大功率激光器．才能不受制于人，使發展進度最大化。岡此，加強 3D 打印設備的研發力度將成為今后的另一個研究熱點。

       5、不可完全替代傳統制造技術，兩者應配合使用

       對于單件生產來說．3D 打印技術具有絕對優勢．但對于大規模生產而言，鑄造、鍛造等傳統制造方法仍不可替代，無論是成本，還是質量和穩定性，3D 打印技術都沒有競爭力。所以就目前而言，3D 打印技術只在某些特定情況下使用。短時間內還無法完全代替傳統加工制造技術。因此應合理配合，各取所長，實現效益最大化。與此同時．還應在現有基礎上積極探索，不斷拓寬 3D 打印技術的應用領域。

       總之，3D 打印技術的應用，大大加速了同產尖端戰機的研發進度。相信隨著 3D 打印技術的不斷完善和成熟，中國航空制造業將會登上世界巔峰。