沈海軍

CST-100載人飛船“靈感火星”太空船

3D打印技術(shù)又稱“增材制造技術(shù)”，實(shí)際上是一類利用光固化、紙層疊或熔融沉積等手段的新型快速成型技術(shù)。3D打印技術(shù)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代，它與普通打印工作原理有類似之處：3D打印機(jī)（裝置）內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層累積起來，最終把計(jì)算機(jī)上的虛擬模型變成實(shí)物。

這種技術(shù)已經(jīng)在珠寶、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑工程和施工、汽車、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息、土木工程、槍支制造等領(lǐng)域開始應(yīng)用。對于航空航天領(lǐng)域來說，3D打印仍然是一項(xiàng)非常前沿的制造技術(shù)。但是近幾年，一些全球領(lǐng)先的航空制造企業(yè)已開始逐漸涉足這一領(lǐng)域，成果頻出。

走向應(yīng)用

在多數(shù)人眼里，3D打印還是一個(gè)新生事物，其實(shí)早在30年前，研究人員已經(jīng)開始醞釀關(guān)于3D打印的設(shè)想。從20世紀(jì)70年代誕生到現(xiàn)在，3D計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)經(jīng)歷了飛躍式發(fā)展，已成為廣大設(shè)計(jì)人員的有力助手?？焖俪尚图夹g(shù)的發(fā)展幾乎與3D計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的發(fā)展同步，人們從使用3D計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的那天起就希望能夠方便地將設(shè)計(jì)“轉(zhuǎn)化”為實(shí)物，因此也就有了發(fā)明3D打印機(jī)的想法。

在目前的3D打印機(jī)行業(yè)中，美國Z公司和斯特塔西公司兩家是理所當(dāng)然的“巨頭”。Z公司源起于1994年。當(dāng)時(shí)，幾個(gè)來自麻省理工學(xué)院的技術(shù)專家發(fā)明了3D打印技術(shù)并申請了專利。1997年，他們?yōu)閷?D打印技術(shù)推向市場，成立Z公司。從那時(shí)起，Z公司就一直占據(jù)著3D打印機(jī)市場的半壁江山。斯特塔西公司成立于1990年，以研發(fā)基于熔融沉積技術(shù)的快速成型機(jī)見長。由于熔融沉積技術(shù)的3D打印機(jī)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，適合汽車、家電、電動工具、機(jī)械加工、精密鑄造及工藝品制作，因此斯特塔西公司的產(chǎn)品也在全球3D打印機(jī)市場占據(jù)了巨大份額。

成果頻出

本世紀(jì)以來，3D打印進(jìn)入快速成長期。2011年6月，英國南安普頓大學(xué)的研究者利用3D打印技術(shù)制作了一架翼展約2米、最高時(shí)速可達(dá)160千米的小型飛機(jī)。這也是世界上第一架3D打印且可飛行的飛機(jī)。2013年1月，中國的王華明聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)打印出了大型飛機(jī)整體鈦合金關(guān)鍵構(gòu)件，并且憑借“3D激光快速成形技術(shù)”獲得中國的國家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。2013年5月，同濟(jì)大學(xué)利用3D技術(shù)打印出的微小飛機(jī)試飛成功。2013～2014年，中國一家自動控制研究所在某復(fù)雜傳感器外殼的再造實(shí)驗(yàn)中獲得成功，并開始了某型慣導(dǎo)臺體3D打印的生產(chǎn)加工（現(xiàn)代飛機(jī)和導(dǎo)彈上都有慣導(dǎo)臺體。所謂“慣導(dǎo)”，就是利用物體慣性來制導(dǎo)的儀表，最常見的為陀螺儀。所謂“慣導(dǎo)臺體”就是安裝慣導(dǎo)的支架）。2014年，美國霍尼韋爾成功地利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)出了單晶鑄件，并裝配至TFE731-60型發(fā)動機(jī)的渦輪葉片上。這款發(fā)動機(jī)正為達(dá)索旗下的獵鷹900公務(wù)機(jī)提供動力?，F(xiàn)在，空客公司在A380飛機(jī)的客艙里已經(jīng)使用了3D打印的行李架;“臺風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)中也使用了3D打印的空調(diào)系統(tǒng)。最近，空客公司提出了“透明飛機(jī)概念”計(jì)劃，并制定了一張“路線圖”。該公司計(jì)劃從打印飛機(jī)的小部件開始，一步一步發(fā)展，希望最終在2050年前后用3D打印機(jī)打印出整架飛機(jī)來。

一場革命

隨著3D打印技術(shù)逐步向?qū)嶋H應(yīng)用階段過渡，它將為航空制造業(yè)帶來巨大的技術(shù)變革。

首先，新型航空產(chǎn)品的研發(fā)將伴隨3D打印技術(shù)的發(fā)展而加速發(fā)展。從事過產(chǎn)品設(shè)計(jì)的人都知道，設(shè)計(jì)時(shí)僅僅考慮產(chǎn)品功能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要考慮工藝可行性、產(chǎn)品檢驗(yàn)、品質(zhì)保證等等。3D打印，特別是金屬3D打印，使相關(guān)核心件的設(shè)計(jì)完全擺脫了工藝制約。鑄造不了、鍛造不了、機(jī)械加工不了的復(fù)雜構(gòu)件，對于3D打印都不是障礙。長期以來，在我國航空工業(yè)，人們不是不知道采用什么樣的結(jié)構(gòu)可以讓航空器實(shí)現(xiàn)更優(yōu)秀的性能，但工藝技術(shù)的落后使得人們即使知道應(yīng)該做成什么樣，可受制于制造業(yè)水平，有心無力，很難在實(shí)際生產(chǎn)中做出想要的產(chǎn)品。從這個(gè)角度看，金屬3D打印技術(shù)解除了對設(shè)計(jì)人員的巨大束縛，產(chǎn)品研發(fā)由此變得相對簡單快捷。

其次，3D打印技術(shù)大大節(jié)省了產(chǎn)品樣件研制的費(fèi)用。在傳統(tǒng)的新產(chǎn)品開發(fā)中，制造樣件是必不可少的步驟。前提是需要有樣件的模具。在產(chǎn)品最終定型前，模具不需要耐用，成本可適當(dāng)降低，但降低幅度相對有限。在隨后的多次試驗(yàn)中，人們往往需要根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果修改設(shè)計(jì)，修改后要再做模具、再試驗(yàn)，如此重復(fù)10次甚至更多次是很正常的。在這一過程中，模具制作時(shí)間幾乎要占據(jù)一半以上的產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間，試驗(yàn)所需時(shí)間約占30%的產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間;在模具制作中，模具制造費(fèi)用也要占到產(chǎn)品開發(fā)成本的50%～70%;其他為試驗(yàn)費(fèi)用、研發(fā)人員工資等;模具完成后，樣件的加工成本則幾乎可以忽略不計(jì)。以美國第四代殲擊機(jī)F22為例，一種機(jī)型的開發(fā)費(fèi)用就達(dá)數(shù)百億美元，其中大部分開支就花在模具制造上面。3D打印技術(shù)則使產(chǎn)品開發(fā)擺脫了樣件模具加工制作環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)制作出的樣件與成熟產(chǎn)品并無二致，人們不再需要天價(jià)的模具費(fèi)用投入。與此同時(shí)，樣件制作時(shí)間甚至可縮短為原來的數(shù)十分之一。

第三，3D打印技術(shù)可以顯著減輕飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量。減輕結(jié)構(gòu)重量是飛機(jī)研制的基本技術(shù)需求，這直接關(guān)系到飛機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。長期以來，傳統(tǒng)制造技術(shù)已經(jīng)被發(fā)揮到接近極限，難以再有更大的作為。過去，對于大型復(fù)雜構(gòu)件，傳統(tǒng)商用制造工藝無法完成，必須拆為幾個(gè)部件來做，然后再進(jìn)行組合。如今，3D打印可以實(shí)現(xiàn)零部件一次成型，這不僅增加了零部件的完整性，同時(shí)也有助于減輕零部件的重量。此外，通過金屬3D打印高性能增材制造技術(shù)，還可以在獲得同樣性能或更高性能的前提下，通過最優(yōu)化設(shè)計(jì)來顯著減輕金屬結(jié)構(gòu)件的重量。

第四，3D打印技術(shù)可顯著節(jié)約昂貴的戰(zhàn)略金屬資源。由于對高性能有著近乎苛刻的要求，航空器需要大量使用鈦合金等高性能、難加工的貴金屬材料。但是，很多貴金屬材料的利用率卻非常低，多數(shù)低于10%，有時(shí)甚至僅為2%～5%。大量昂貴的金屬材料變成了難以再利用的廢屑，同時(shí)伴隨著極大的機(jī)械加工量。作為一種高性能近凈成型技術(shù)，金屬3D打印高性能增材制造技術(shù)可以把高性能金屬零件制造的材料利用率提高到60%～95%，甚至更高，同時(shí)機(jī)械加工量將顯著減少。

短板與局限

3D打印作為一種神奇的技術(shù)，具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。與此同時(shí)，也有許多缺點(diǎn)限制了它在航空領(lǐng)域中的廣泛使用。

首先是技術(shù)門檻很高。

3D打印特別是金屬材料的3D打印，近年來在技術(shù)上取得了突破。但其技術(shù)準(zhǔn)入門檻依然很高。歐美發(fā)達(dá)國家企業(yè)在這項(xiàng)研究中耗時(shí)多年，仍只能做一些小零件，制作稍大些的零件時(shí)極易出現(xiàn)產(chǎn)品缺陷。打印中，關(guān)于保護(hù)氣氛（金屬打印要在惰性氣體，譬如氮?dú)猸h(huán)境下實(shí)施，這樣可以防止打印過程中發(fā)生氧化）、溫度控制、材料成分顆粒度和純凈程度、打印速度、激光功率及光斑尺寸調(diào)整等指標(biāo)都有嚴(yán)格規(guī)定，相關(guān)參數(shù)的調(diào)節(jié)，非經(jīng)培訓(xùn)的專業(yè)人員根本無法完成。以北京航空航天大學(xué)王華明教授組的3D打印設(shè)備為例，該機(jī)器的激光器在國內(nèi)不能生產(chǎn)，必須從美國進(jìn)口。一旦使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)軍用物品，很可能被掌握專利技術(shù)的發(fā)達(dá)國家“卡脖子”。

二是產(chǎn)品打印制造成本很高。

仍以王華明教授的3D打印設(shè)備為例，該機(jī)器的成本現(xiàn)在為2000萬元/套，一年可加工8噸產(chǎn)品。根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的特點(diǎn)，產(chǎn)品批量制造后，機(jī)器成本有可能降到每套500萬元甚至是200萬元。目前打印出來的產(chǎn)品價(jià)格為1萬元/千克，其中材料費(fèi)不足1000元/千克。毛利率為90%多。但通過類比，我們發(fā)現(xiàn)：目前汽車發(fā)動機(jī)的制造成本為80～100元/千克，汽車的成本為50～100元/千克，普通工業(yè)（金屬）制成品的價(jià)格與之類似或更低。這一價(jià)格只有3D打印價(jià)格的1/100。因此，用3D打印替代傳統(tǒng)工藝進(jìn)行大批量生產(chǎn)，并不現(xiàn)實(shí);也許只有為追求性能而不惜成本的軍用航空產(chǎn)品才可以考慮這么做。

三是3D打印產(chǎn)品的質(zhì)量問題。

和傳統(tǒng)加工方式相比，3D打印材料性的強(qiáng)度、剛度、機(jī)械加工性等仍不夠成熟。由于采用層層疊加的增材制造工藝，各層之間的黏結(jié)即使再緊密，通常也無法和傳統(tǒng)工藝零件相媲美。這意味著在一定外力條件下，打印出來的部件更容易失效。近日，華中科技大學(xué)材料學(xué)院史玉升教授在接受采訪時(shí)表示，部分3D打印金屬產(chǎn)品強(qiáng)度性能上可接近同類鍛造產(chǎn)品的水平。但是，要真正作為飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件，3D打印技術(shù)生產(chǎn)出的產(chǎn)品仍不足以令人放心。

此外，由于3D打印是一層一層“堆積”的，雖然每層都很薄，但在微觀尺度下，打印物體的表面仍會留下一級級細(xì)小的“臺階”，形成所謂的“臺階效應(yīng)”?！芭_階效應(yīng)”會造成產(chǎn)品精度上的偏差，導(dǎo)致產(chǎn)品表面工藝不夠精細(xì)，甚至需要進(jìn)行二次加工。不幸的是，對于采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)出的細(xì)長體或薄壁體金屬構(gòu)件來說，二次加工往往又是極其困難的事情。

另外，3D打印過程中，打印頭下方的局部材料溫度很高，而周圍的材料溫度較低?！袄錈帷辈痪鶗沟么蛴◇w內(nèi)部產(chǎn)生復(fù)雜應(yīng)力，進(jìn)而使打印體發(fā)生變形。這種現(xiàn)象對于通過3D技術(shù)打印出的大型構(gòu)件來說尤為顯著。

總之，只有以上問題一一得到解決，3D打印技術(shù)才能在航空制造領(lǐng)域得到全面推廣。

【責(zé)任編輯】趙 菲