黃衛(wèi)東：國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919, 3D打印大顯身手
當(dāng)下3D打印技術(shù)應(yīng)用的主要領(lǐng)域就是包括國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)零部件、艦載機(jī)起落架等重要核心零部件在內(nèi)的航空航天。西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，是我國(guó)3D打印技術(shù)研發(fā)最出色的單位之一，主要發(fā)展名為“激光立體成形”的3D打印技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)激光融化金屬粉末，幾乎可以“打印”任何形狀的產(chǎn)品。其最大的特點(diǎn)是，使用的材料為金屬，“打印”的產(chǎn)品具有極高的力學(xué)性能，能滿足多種用途。
隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，零件構(gòu)造越來(lái)越復(fù)雜，力學(xué)性能要求越來(lái)越高，重量要求卻越來(lái)越輕，通過(guò)傳統(tǒng)工藝很難突破，而3D打印則可以滿足這些需求。為國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919制造中央翼緣條，是3D打印技術(shù)在航空領(lǐng)域應(yīng)用的典型。C919的中央翼緣條是一個(gè)長(zhǎng)達(dá)3米的大型鈦合金結(jié)構(gòu)件。作為機(jī)翼的關(guān)鍵部件，以我國(guó)現(xiàn)有制造能力依然無(wú)法滿足需求。如果向國(guó)外采購(gòu)，勢(shì)必會(huì)影響大飛機(jī)的國(guó)產(chǎn)化率。西北工業(yè)大學(xué)與中國(guó)商用飛機(jī)有限公司合作，應(yīng)用激光立體成形技術(shù)解決了C919飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件的制造問(wèn)題。
黃衛(wèi)東，西北工業(yè)大學(xué)教授
激光立體成形制造成本與國(guó)外鍛壓制造成本相差不多，但最重要的是形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)特色的新技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)等關(guān)鍵部件的制造上也得到了運(yùn)用。
西工大3D打印技術(shù)對(duì)零部件的修復(fù)也可謂獨(dú)樹(shù)一幟。航空航天零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂，一旦出現(xiàn)瑕疵或缺損，只能整體更換，可能造成上百萬(wàn)損失。而通過(guò)3D打印技術(shù)，可以用同一材料將缺損部位修補(bǔ)成完整形狀，修復(fù)后的性能不受影響，大大節(jié)約了時(shí)間和金錢(qián)。
3D打印技術(shù)正在成為發(fā)達(dá)國(guó)家實(shí)現(xiàn)制造業(yè)回流、提升產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要載體?？梢哉f(shuō)，新一輪的全球制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，極有可能是3D打印與機(jī)器人等高端裝備的競(jìng)爭(zhēng)。以3D打印為代表的數(shù)字化、智能化制造以及新型材料的應(yīng)用將重塑制造業(yè)和服務(wù)業(yè)的關(guān)系，重塑?chē)?guó)家和地區(qū)，重塑經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局，加快第三次工業(yè)革命的進(jìn)程。
當(dāng)下，無(wú)論是航空航天、原型制造、醫(yī)療、創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)還是時(shí)尚、建筑產(chǎn)業(yè)，都在被3D打印技術(shù)這種顛覆傳統(tǒng)的制造方式、全新理念和創(chuàng)新技術(shù)所喚醒。
鎖紅波：直面國(guó)內(nèi)外增材制造技術(shù)差距
增材制造是一種根據(jù)三維數(shù)據(jù)將材料連接以制造物體的過(guò)程，相對(duì)于傳統(tǒng)的“減材”制造，它通常是逐層累加過(guò)程，由此衍生出了一系列金屬、非金屬、生物制造的技術(shù)。在這么多技術(shù)中，哪一種在軍工領(lǐng)域需求最為迫切、應(yīng)用最為廣泛是我們最關(guān)注的問(wèn)題。
對(duì)比在國(guó)防軍工領(lǐng)域主要應(yīng)用的增材制造方法，目前使用最多的、需求最迫切的還是激光、電子束、等粒子弧等金屬直接制造技術(shù)。這金屬直接制造技術(shù)中，航空應(yīng)用按使用對(duì)象不同，大致可分為兩大類(lèi)。一類(lèi)是大型承力結(jié)構(gòu)的高效成形技術(shù)，第二大類(lèi)是小型復(fù)雜功能結(jié)構(gòu)的精密成形技術(shù)。事實(shí)上，包括電子成型和激光成型這類(lèi)的金屬成型技術(shù)，它的源頭是連接技術(shù)。任何可控的熱源，能夠把材料連接在一起，都可以稱(chēng)之為增材制造技術(shù)。
鎖紅波，中航工業(yè)北京航空制造工程研究所增材制造部部長(zhǎng)
在大型承力結(jié)構(gòu)的高效成型技術(shù)中，發(fā)展較好的一種是激光直接沉積成形技術(shù)（DMD）。它的原理是在惰性氣體氛圍中，激光熔化同步送進(jìn)的金屬粉末，進(jìn)入融池并逐層堆積制造零件。主要用于修復(fù)大結(jié)構(gòu)的成形，同時(shí)也能用于修復(fù)小結(jié)構(gòu)。另一種則是電子束熔絲沉積成形技術(shù)（EBF3），這種技術(shù)在國(guó)內(nèi)研究較少，在美國(guó)相對(duì)知名度較高。它的原理是在真空環(huán)境下，用電子束融化同步送進(jìn)的金屬絲材進(jìn)入融池堆積成形。
兩種技術(shù)對(duì)比之下，電子束成形速度是激光技術(shù)的幾倍，且電子束在真空中成形，不存在雜質(zhì)污染的問(wèn)題。總結(jié)而言，兩種技術(shù)制造的都是零件毛坯，后續(xù)還需要機(jī)械加工，電子束熔絲沉積成形具有速度快、內(nèi)部質(zhì)量高的特點(diǎn)，適用于大型結(jié)構(gòu)的高效、低成本制造。
第二大類(lèi)中小型復(fù)雜功能結(jié)構(gòu)的精密成形技術(shù)分為激光選區(qū)熔化技術(shù)（SLM）和電子束選區(qū)熔化技術(shù)（EBM），它們選取融化的熱源不同，前者是在氬氣保護(hù)環(huán)境中，后者則是在真空保護(hù)環(huán)境中，制造出的零件僅需表面拋光，甚至無(wú)需處理就可以使用。
除在軍工領(lǐng)域外，我們也結(jié)合航空制造的需求，列出了增材制造對(duì)武器裝備的促進(jìn)作用。
首先，增材制造技術(shù)能夠促進(jìn)設(shè)計(jì)思想的革命，支撐全新的設(shè)計(jì)理念。我們常遇到設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)前先詢問(wèn)是否能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)？用哪種技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)？現(xiàn)在增材制造很大程度上能減小因工藝制造或結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度帶給設(shè)計(jì)者的束縛。舉例來(lái)說(shuō)，以前飛機(jī)的一個(gè)零件、一個(gè)機(jī)體結(jié)構(gòu)，需要數(shù)十個(gè)零件組成，還需考慮裝配、連接、加工等一系列問(wèn)題。現(xiàn)在通過(guò)增材制造，可以把數(shù)十個(gè)零件組建成一個(gè)零件。我們的目標(biāo)就是把整個(gè)飛機(jī)的后機(jī)身用一個(gè)零件完成。
其次是可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的“混合制造”思想。實(shí)際上最早的增材制造來(lái)源于混合制造。例如國(guó)內(nèi)通過(guò)數(shù)控技術(shù)加工的飛機(jī)零件，國(guó)外通過(guò)混合制造工藝，能大大提高加工效率，保證質(zhì)量的同時(shí)也提升了競(jìng)爭(zhēng)力。
第三則是可以實(shí)現(xiàn)快速反應(yīng)，敏捷制造。增材制造技術(shù)無(wú)需預(yù)投工裝模具，加工柔性良好，反應(yīng)敏捷可即時(shí)調(diào)整制造方案，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)制造。許多原本要花費(fèi)長(zhǎng)時(shí)間制造的飛機(jī)，利用增材制造技術(shù)，在短短1-2年內(nèi)就可以起飛。最后一點(diǎn)，也是最常見(jiàn)的一點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)缺損零件的修復(fù)。
針對(duì)國(guó)外應(yīng)用領(lǐng)域的情況而言，政府的高度重視以及需求的逐步擴(kuò)大，致使增材制造技術(shù)發(fā)展迅猛且實(shí)力突出。據(jù)了解，歐洲于2007年成立了“大型航空零件快速制造中心”，積極推動(dòng)了增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用。美國(guó)在此方面也制定了大量的戰(zhàn)略部署，成立了增材創(chuàng)意制造中心。另外，歐洲國(guó)家的小型結(jié)構(gòu)精密增材制造技術(shù)已處于世界領(lǐng)先水平，空客、羅•羅、EADS等公司在飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)上已有應(yīng)用。
而在國(guó)內(nèi)，我們的總體技術(shù)水平處于模型制作向零部件直接制造過(guò)渡的態(tài)勢(shì)，在直接制造高性能塑料盒金屬零件方面發(fā)展非常迅猛，總體上有很大的上升空間。增材制造技術(shù)也在典型的關(guān)鍵領(lǐng)域中開(kāi)展了局部應(yīng)用。例如，北航、西工大等已實(shí)現(xiàn)多種激光成形結(jié)構(gòu)件在軍機(jī)、C919客機(jī)等多個(gè)型號(hào)上的裝機(jī)驗(yàn)證和應(yīng)用。
但與國(guó)外相比仍存在一些差距，這些差距是需要我們直視并面對(duì)的。首先是缺乏理論研究，我們主要關(guān)注于應(yīng)用，理論研究則主要集中于高校，在廣度和深度上都比較欠缺。二是關(guān)鍵共性技術(shù)研究不足。三是對(duì)材料的研究薄弱，先進(jìn)材料大多為國(guó)外研制。四是整體裝配性能低于國(guó)外水平，大部分增材制造工藝裝備國(guó)內(nèi)都有研制，但在成形精度和智能化程度上與國(guó)外相比有所差距。最后是核心元器件依賴(lài)國(guó)外進(jìn)口，難以形成本土化產(chǎn)業(yè)。
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