大數(shù)據(jù)時代，3D打印這個詞匯從陌生到熟悉，從模糊到清晰，走過了這個時代許多新鮮事物發(fā)展演變的路徑。人們熟悉的印象里，那個一層一層逐級攀升的塑料材質(zhì)的物體既可以制成自己的肖像，也可以造出各種模型。但與民眾接觸到的更具娛樂意味的3D打印技術(shù)相比，因材質(zhì)不同而另稱的金屬3D打印，則因為技術(shù)含量和應(yīng)用領(lǐng)域的不同而更具有高端性和神秘感。

 

　　金屬3D打印，多被用于機(jī)械制造和航空航天工程中形狀復(fù)雜的零件制造，對技術(shù)指標(biāo)要求極高。但如果你認(rèn)為金屬3D打印的技術(shù)還是“外國的月亮圓”的話，那可能你就犯了一個錯誤，因為若論金屬3D打印技術(shù)與航空工程的融合應(yīng)用技術(shù)，世界頂尖水平的所在就在沈陽，在我們身邊。走進(jìn)這里，你會感受到最新的金屬3D打印技術(shù)的精妙，發(fā)展脈絡(luò)的精彩，以及那些鮮為人知的關(guān)于3D打印故事的引人入勝。

 

　　追根溯源

 

　　增材技術(shù)的歷史，最早可以追溯到20世紀(jì)70年代末期，早在1979年，美國聯(lián)合技術(shù)研究中心的D.B.Snow等人就進(jìn)行了采用激光多層熔覆的方法制造鎳基高溫合金零件的研究并取得了相關(guān)專利，形成了增材制造技術(shù)的雛形，但由于此時零件的三維計算機(jī)建模及分層切片等圖形處理技術(shù)成熟不夠，這項技術(shù)不具備發(fā)展成為實用技術(shù)的條件。2012年3月，奧巴馬總統(tǒng)宣布計劃投資10億美元，首選發(fā)展增材制造技術(shù)，在美國構(gòu)建一個由15個制造創(chuàng)新聯(lián)盟組成的國家網(wǎng)絡(luò)，他們將作為區(qū)域性的制造優(yōu)勢中心，幫助提升美國制造商的競爭力，并鼓勵在美國進(jìn)行投資。而與此同時，國內(nèi)的3D打印因為技術(shù)的進(jìn)步也熱度陡生。

 

　　“上上個世紀(jì)的思想，上個世紀(jì)的技術(shù)，這個世紀(jì)的市場……”這句對3D打印的評語，現(xiàn)在來看異常貼切。

 

　　王向明，中航工業(yè)沈陽飛機(jī)設(shè)計研究所的項目總設(shè)計師、飛機(jī)結(jié)構(gòu)3D打印應(yīng)用技術(shù)的領(lǐng)軍人物，2003年起便組建技術(shù)團(tuán)隊，開展了3D打印在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究。通過十余年堅持不懈的持續(xù)探索，造就如今居于世界前列的金屬3D打印技術(shù)與航空工程的融合。

 

 

　　塔灣街40號，就是沈陽飛機(jī)設(shè)計研究所的所在，這家始建于1961年的研究機(jī)構(gòu)，是新中國組建最早的飛機(jī)設(shè)計研究所，一系列飛機(jī)設(shè)計與研究工作都在這里孕育而生，當(dāng)然也包括如今已成績斐然的金屬3D打印。

 

　　沈陽飛機(jī)設(shè)計研究所金屬3D打印的“孵化室”名叫“新型功能結(jié)構(gòu)研發(fā)與工程化應(yīng)用研究實驗室”，這個新型功能結(jié)構(gòu)研發(fā)的航空科技重點(diǎn)實驗室專門從事孕育金屬3D打印技術(shù)的設(shè)計創(chuàng)新，并把它與航空工業(yè)相融合，直至把這項技術(shù)推至世界的巔峰。該實驗室承擔(dān)基于增材制造和特種加工技術(shù)的新型功能結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制造、測試驗證、工程化應(yīng)用研究工作，以及負(fù)責(zé)新型功能結(jié)構(gòu)的設(shè)計許用值測試和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫建設(shè)，推進(jìn)新型功能結(jié)構(gòu)研究成果向型號的工程應(yīng)用轉(zhuǎn)化，逐步實現(xiàn)快速試制技術(shù)體系的建設(shè)。這里集中了全所并聯(lián)合了行業(yè)內(nèi)增材技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)勢技術(shù)力量，充分體現(xiàn)了專業(yè)的融合和技術(shù)隊伍的集約化特點(diǎn)?？蒲腥藛T的專業(yè)配置包括：結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計、功能化結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)技術(shù)、新結(jié)構(gòu)驗證技術(shù)等多個領(lǐng)域方向，實驗室根據(jù)飛行器結(jié)構(gòu)不同的技術(shù)特點(diǎn)、發(fā)展和需求，基于增材技術(shù)的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計與開發(fā)，結(jié)構(gòu)特性分析研究、設(shè)計優(yōu)化研究、試驗驗證以及結(jié)構(gòu)特性評估研究，重點(diǎn)實現(xiàn)從原理、方法、技術(shù)的全覆蓋，顯著提高了增材制造技術(shù)的研究水平。

 

　　歷經(jīng)十余年的技術(shù)開拓，研究所實現(xiàn)了增材技術(shù)從次承力構(gòu)件到主承力構(gòu)件，再到規(guī)?；瘧?yīng)用的三個跨越，擁有多項發(fā)明專利，完成了4項增材制造技術(shù)、5種金屬材料、7類結(jié)構(gòu)件在多型飛機(jī)上的裝機(jī)應(yīng)用，取得多項重大研究成果，使我國成為世界上唯一在飛機(jī)結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)上實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用的國家。

 

　　緣起不減

 

　　金屬3D打印技術(shù)能在沈陽飛機(jī)設(shè)計研究所“開枝散葉”，緣于十多年前的一次偶遇和執(zhí)著，用王向明的話來說，這可以稱作是“一個核桃”的故事。

 

　　2003年，北京航空航天大學(xué)的王化明教授（2015年當(dāng)選中國工程院院士）來到沈陽飛機(jī)設(shè)計研究所，并隨身帶來了一個類似“核桃”形狀的金屬物體，猶如技術(shù)“種子”，開始孵化鈦合金結(jié)構(gòu)激光增材制造應(yīng)用技術(shù)，這也是二人正式創(chuàng)建聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊、展開全面技術(shù)合作的開端。通過五個方面十三個技術(shù)方向的研究，歷經(jīng)十多年時間，走過了三個里程碑。

 

　　第一個里程碑是2005年，突破鈦合金次承力件關(guān)鍵技術(shù)，使我國成為繼美國之后， 世界上第二個掌握飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件激光成形技術(shù)及裝機(jī)應(yīng)用的國家。第二個里程碑是2009年，突破了鈦合金大型、復(fù)雜主承力件關(guān)鍵技術(shù)，使我國一躍成為迄今世界上唯一掌握該技術(shù)并實現(xiàn)裝機(jī)工程應(yīng)用的國家。第三個里程碑是2012年，在新機(jī)研制中實現(xiàn)了規(guī)?；瘧?yīng)用。團(tuán)隊先后榮獲國家技術(shù)發(fā)明一等獎和兩項國防科技一等獎。

 

　　當(dāng)下，我國航空、航天、船舶、汽車、海洋工程等現(xiàn)代重大工業(yè)裝備正向著大型化、復(fù)雜化、功能化和極端條件下高可靠長壽命服役方向快速發(fā)展，對裝備結(jié)構(gòu)、材料及制造均提出了更加苛刻的要求。輕量化、整體化、長壽命、高可靠性、結(jié)構(gòu)功能一體化以及低成本成為結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料應(yīng)用和制造技術(shù)共同面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，這取決于結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)材料和現(xiàn)代制造技術(shù)的進(jìn)步與創(chuàng)新。增材技術(shù)，具有短周期、低成本、激發(fā)創(chuàng)新的新興技術(shù)，代表著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展方向，屬于在重大裝備制造中具有重大應(yīng)用價值的變革性制造技術(shù)。

 

 

　　大型航空鈦合金零件的材料利用率非常低，平均不超過10%，同時，模鍛、鑄造還需要大量的工裝模具，由此帶來研制成本的上升。通過增材制造技術(shù)，不僅可以節(jié)省材料2/3 以上，數(shù)控加工時間減少一半以上，同時不再需要模具可實現(xiàn)“快速反應(yīng)”。更重要的是，增材技術(shù)解放了制造工藝對結(jié)構(gòu)設(shè)計的約束，可以制造出最優(yōu)化設(shè)計的結(jié)構(gòu)件，從而將研制成本尤其是首件、小批量的研制成本大大降低。

 

　　王向明告訴記者，搞飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計，就想要把飛機(jī)設(shè)計得性能好、重量輕。“我們剛剛接觸3D打印技術(shù)的時候，就覺得眼前一亮，覺得這是多年尋找的東西。首先它是以材料“生長”的方式在制造零件，換句話說它更符合自然規(guī)律。我們自然界所有的東西都是以生長的方式在出現(xiàn)，以前我們的制造等材、減材方式居多，突然出現(xiàn)一種增材的方法來搞金屬零件，其誘惑是絕無僅有的。”回憶起初涉金屬3D打印技術(shù)的時候，王向明如是說。

 

　　十多年時間對于科技研究來說，并不漫長。早在2005年，研發(fā)團(tuán)隊在突破次承力件關(guān)鍵技術(shù)時發(fā)現(xiàn)了一個問題，當(dāng)時美國Aeromet公司倡導(dǎo)整個激光成形技術(shù)的發(fā)展理念，就是直接在結(jié)構(gòu)基板上生長成形，經(jīng)過簡單的加工就成為零件。理念雖好，但研究中發(fā)現(xiàn)在中等厚度的薄板上直接成形的制件，其疲勞強(qiáng)度存在嚴(yán)重不足。要知道飛機(jī)的服役期需要數(shù)十年，對疲勞性能的要求非常高，這樣的情況疲勞性能根本無法滿足要求。為此，團(tuán)隊提出了一個全新的理念，叫無結(jié)構(gòu)基板成形，這個技術(shù)實際上為零件的良好力學(xué)性能奠定了制造工藝基礎(chǔ)，為用于主承力結(jié)構(gòu)提出了技術(shù)保障。

 

　　金屬增材制造的最大技術(shù)難點(diǎn)是變形與開裂，為使零件能做得更大、更復(fù)雜，團(tuán)隊又研發(fā)了一個宏觀尺度離散成形連接技術(shù)，通過一邊成形一邊連接的辦法，可以把零件做得很大、很復(fù)雜而不變形開裂，為大型復(fù)雜主承力結(jié)構(gòu)件的增材制造提供核心支撐技術(shù)。至此，全面突破了鈦合金主承力結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)，并在鶻鷹飛機(jī)上實現(xiàn)了規(guī)?；瘧?yīng)用。以此為核心，構(gòu)建了無模敏捷制造的快速試制模式。

 

　　技術(shù)細(xì)節(jié)的打磨總是一項艱難的歷程。多年堅持，沈陽飛機(jī)設(shè)計研究所飛機(jī)增材技術(shù)取得了舉世矚目的成就，他們突破多項關(guān)鍵技術(shù)，研制的零件種類覆蓋除蒙皮壁板外的所有飛機(jī)結(jié)構(gòu)件，材料包括多種鈦合金、超高強(qiáng)鋼等，先后在4個飛機(jī)型號或項目中得到應(yīng)用。

 

　　未來可期

 

　　沈陽飛機(jī)設(shè)計研究所在國家3個五年計劃的持續(xù)支持下，結(jié)合在研型號研制，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)增材技術(shù)領(lǐng)域取得了舉世矚目的成就，深刻認(rèn)識增材技術(shù)發(fā)展的核心是技術(shù)創(chuàng)新，在注重關(guān)鍵工藝的同時，發(fā)揮設(shè)計創(chuàng)新引領(lǐng)作用，更好地挖掘增材技術(shù)的巨大潛力。為此，沈陽飛機(jī)設(shè)計研究所與北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、中航工業(yè)625所等國內(nèi)增材技術(shù)優(yōu)勢單位合作，從創(chuàng)新源頭出發(fā)，開展了從結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計到原理驗證、工藝優(yōu)化、綜合驗證、快速試制，直至工程應(yīng)用的覆蓋九級成熟度的“政、產(chǎn)、學(xué)、研、用”結(jié)合的一條龍發(fā)展路線，形成了成熟設(shè)計思想與方法。

 

　　舉目前望，如何讓金屬3D打印在更多的領(lǐng)域做更多的事兒，是團(tuán)隊一直思考的問題。在他們的計劃里，用越來越先進(jìn)也越來越實用的金屬3D打印推動軍民融合，再經(jīng)過深度發(fā)展，進(jìn)而發(fā)揮更大的功效。2015年遼寧省科技廳批準(zhǔn)沈陽飛機(jī)設(shè)計研究所組建增材制造產(chǎn)業(yè)共性技術(shù)創(chuàng)新平臺和工程技術(shù)中心，沈陽市政府也在大力推進(jìn)增材技術(shù)產(chǎn)業(yè)化服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)的進(jìn)程。省市領(lǐng)導(dǎo)和主管機(jī)關(guān)領(lǐng)導(dǎo)多次現(xiàn)場考察，為沈陽飛機(jī)設(shè)計研究所增材技術(shù)提供有力支持，為促進(jìn)軍民融合持續(xù)發(fā)展搭建了寬闊舞臺。

 

　　已經(jīng)有不止一人預(yù)言，在未來工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用方面，金屬3D打印將擁有強(qiáng)大的競爭力。現(xiàn)在桌面3D打印機(jī)打印出來的普通的成品大都是塑料制品，主要用來展示及模型等，在實用性方面還有所欠缺。但隨著科技發(fā)展和推廣應(yīng)用需求，利用快速成形直接制造金屬功能零件，將成為了快速成形主要的發(fā)展方向。金屬零件增材技術(shù)作為整個3D打印體系中最為前沿和最具潛力的技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向，它所能呈現(xiàn)的功用和空間無法預(yù)料。借助省市地域優(yōu)勢和省市政府改革創(chuàng)新的強(qiáng)力推動，沈陽飛機(jī)設(shè)計研究所的增材技術(shù)必須成為支持地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技創(chuàng)新的璀璨新星。

 

 

　　1月22日，遼寧省增材制造產(chǎn)業(yè)共性技術(shù)創(chuàng)新平臺合作框架協(xié)議簽署暨揭牌儀式在中航工業(yè)沈陽所飛行器仿真中心隆重舉行。沈陽所作為平臺理事長單位與12家理事單位簽署了合作框架協(xié)議。

 

　　遼寧省增材制造產(chǎn)業(yè)共性技術(shù)創(chuàng)新平臺以沈陽所新型功能結(jié)構(gòu)實驗室軍用增材技術(shù)為依托，集結(jié)了省內(nèi)多家優(yōu)勢單位，力求建成綜合實力和技術(shù)研發(fā)水平國內(nèi)領(lǐng)先的創(chuàng)新型增材技術(shù)產(chǎn)業(yè)平臺。創(chuàng)新平臺重點(diǎn)致力于軍民共用的增材技術(shù)創(chuàng)新研究、技術(shù)開發(fā)、成果轉(zhuǎn)化及應(yīng)用推廣，打造一條龍技術(shù)發(fā)展鏈條，形成健全的開放服務(wù)能力，面向遼寧省民用航空、汽車工業(yè)、海洋工程、智能制造等產(chǎn)業(yè)的重大高端裝備研制轉(zhuǎn)型及科技平臺創(chuàng)新的需求開展服務(wù)。按計劃到2018年，將全面完成平臺建設(shè)，形成具有自主特色的軍民融合增材技術(shù)研究體系和國內(nèi)領(lǐng)先的增材技術(shù)研發(fā)能力，并建成我國第一個工業(yè)級、全產(chǎn)業(yè)鏈增材技術(shù)研發(fā)基地和第一個增材技術(shù)軍轉(zhuǎn)民技術(shù)產(chǎn)業(yè)孵化平臺。