航空“3D打印”望引領中國先進制造
近日，國務院邀請中國工程院院士盧秉恒，以“先進制造與3D打印”為題進行專題講座。李克強總理主持專題講座，張高麗副總理及國務委員、各部部長、央企、金融機構負責人聆聽授課，并討論交流加快發展先進制造與“3D打印”等問題。
李克強總理指出，推動中國制造由大變強，必需加快實施“中國制造2025”和“互聯網 ”行動，在轉變發展方式中培育中國制造競爭優勢，讓更多有生命力的前沿技術和新興產業集群蓬勃發展，共同鑄就中國制造業新輝煌。
以“3D打印”為代表的“增材制造”對一般制造業來說，可能還是個新概念。但對航空制造業來說，“3D打印”并不陌生，早在30多年前就開始有人研究，現今已進入實際應用階段。該項技術誕生30多年來，我國航空工業從業者積極跟蹤研究，目前已經在原材料尤其是粉末冶金制備，復雜結構件制造，裝機部件使用分析等領域走在國內前列，部分成果甚至達到世界先進水平。
“3D打印”制造航空部件優勢明顯
“3D打印”，即增材制造，是基于離散——堆積原理，采用材料逐漸累加的方法制造實體零件的技術。目前最適用于高復雜度結構、極小批量航空航天等產業，被國內外公認為是對飛機、發動機等重大工業裝備研制與生產具有重要影響的核心關鍵制造技術之一。
據統計，采用切削加工技術，“減法”制造的大型航空零件材料利用率非常低，平均不超過10%，同時工裝模具研制成本不斷上升，傳統制造方法越來越不能滿足需求。以美國F-22飛機中尺寸最大的鈦合金整體加強框為例，材料的利用率不到4.90%。不僅如此，傳統方法對制造技術及裝備的要求也十分高，通常需要大規格鍛坯加工及大型鍛造模具制造、萬噸級以上的重型液壓鍛造裝備，制造工藝復雜，生產周期長、制造成本高。
相較而言，“加法”制造更能滿足航空裝備研制需求，通過“3D打印”高能束流增量制造技術，不但可以節省材料三分之二以上，減少數控加工時間一半以上，將研制成本，尤其是首件、小批量的研制成本大大降低。“3D打印”可將材料利用率提升至85%。GE公司曾利用“3D打印”把飛機發動機噴嘴上的20個零件合成了1個零件，提高燃油效率15%，相當于推動發動機前進了一代，而以往每開發一代發動機需要上億歐元。
更重要的是，對我國而言這種新型無模敏捷制造技術也讓我們在保證研制速度、加快裝備更新速度方面，有了縮小與發達國家差距的新機會。
航空企業“3D打印”技術領先
中航工業近年來一直致力于“3D打印”技術的研究，重點針對高端的金屬材料“3D打印”技術開展技術攻關，從金屬粉末到激光熔融設備，實現不同材質零件的直接制造，不少已經裝機使用交付客戶。
“3D打印”的本質是材料的熔融再凝結。樹脂高分子等普通材料的打印過程一般人都能理解，但金屬材料的打印就不是一般人能想象，也不是一般企業能干的。
制備高純凈度、高球形度、尺寸粒度可控的高品質金屬粉末是“3D打印技術”及其產業化發展的首要條件。中航工業航材院“3D打印技術”中心擁有多年高溫合金霧化制粉和鈦合金霧化制粉技術經驗，掌握了純潔熔煉、純凈液體金屬保溫與導流、負壓霧化、高效粉氣分離等核心關鍵技術，配備了先進的霧化制粉設備和粉末檢測分析設備，研制出高純、低氧、粒度可控的鎳基、鈷基、鐵基、鈦基和鈦鋁基合金球形粉末，產品已廣泛應用于“3D打印技術”領域，成為國內金屬粉末的主要供應商。特別值得一提的是，中航工業航材院采用3D打印技術制備出陶瓷顆粒增強金屬基復合材料、可工程應用的TiAl/Ti梯度材料，材料硬度、強度均有顯著提高；打印了材料、結構、功能一體化的耐熱/控熱結構，結構強度、剛度、完整性顯著優于傳統材料制件。
承力多少一定程度上決定了“3D打印”在航空結構件上的應用范圍。針對復雜的結構，中航工業制造所依托高能束流加工技術國家重點實驗室，在國際上率先實現了電子束熔絲成形飛機鈦合金次承力結構件和激光選區熔化成形大尺寸金屬復雜結構功能構件的裝機應用。中航工業沈陽所聯合北京航空航天大學合作研發的激光快速成型鈦合金大型主承力結構在飛機上成功實現應用，技術水平居世界領先。中航飛機研發中心將全三維數字化設計技術與3D打印技術相結合，“打印”出包括主起落架支柱、支臂等主承力部件的多個飛機部件，并通過材料級、靜力、落震、最大載荷工況等多項試驗對試驗件進行了全方位測試，結果顯示試驗件完全滿足在飛機主承力部位應用。
利用“3D打印”快速實物化的特性，中航工業大幅改進調整了研制生產周期和流程。中航工業光電所應用“3D打印技術”完成了機載光電探測設備的新品原理樣件，實現了機載光電探測設備數字模型的快速實物驗證，形成了快速設計、性能評估優化、三維虛擬裝配、樣機快速試制一體化閉環設計驗證環境。中航工業自控所運用3D打印導航產品零件，加工周期成倍縮短，總體工作量僅為傳統方式的五分之一，為零件快速試制提供了新的生產模式。中航飛機西安飛機分公司將逆向工程技術、3D打印、精密鑄造和數字化測量有機結合，打通了以三維技術為核心的數字化制造鏈條，成功將3D打印技術應用于C919大型客機、ARJ21新支線飛機、“新舟”系列飛機等十余個型號的精密熔模鑄造生產中，進行了30余項精鑄件制造，完成了近3000項工裝毛坯的制造，大幅提高了工裝研制效率，縮短了產品研制周期。
在3D打印的一個重要應用方向就是修復再制造。中航工業航材院采用激光3D打印技術修復飛機起落架磨損、腐蝕缺陷，經過1600余次起落飛行，狀態良好。航材院還突破3D打印技術修復飛機發動機葉片研究，使我國躋身于能用3D打印技術修復航空發動機關鍵件的少數國家行列。
“互聯網 ”航空優勢技術望引領先進制造
美國GE公司曾在互聯網上發布消息，挑戰3D打印，將飛機的一個零部件讓創客設計。其中一名19歲的設計者只用了原始結構的1/6的重量就完成了全部測試，方案甚至超過了GE公司里的資深專家，而這就是“互聯網 ”與“3D打印”結合帶來的益處。
航空“3D打印”產品的大范圍推廣市場有限，距離形成比較經濟優勢，需要通過新思維新模式促進增材制造技術在全社會的推廣應用，加快技術優勢向產品優勢和市場優勢的轉化。“3D打印”展現了全民創新的通途，互聯網是一個萬眾創新的平臺。“互聯網 制造”突破圍墻，把互聯網和制造業結合起來，將補足中國制造業原始創新、開始設計能力弱的短板，賦予中國制造新的生命。
中航工業創造性地借助“互聯網 ”模式，打造我國第一個大型產業互聯創新創業平臺——中航聯創，陸續推動“愛創客”平臺正式上線，以“3D打印技術 互聯網”的模式為參考，提出“互聯網 發動機研發與制造”、“互聯網＋航空基礎技術”研發及商業新模式。中航聯創平臺上線以來，先后與地方政府、重點院校、產業園區、孵化器、創新型企業等100多家創新創業載體進行了路演對接和合作洽談，與多個地市達成合作意向，挖掘和開發優質創新創業項目30余個，部分項目已進入實施階段。中航聯創已上線的125個基礎研究項目，以深化軍民融合為著眼點，力圖將航空裝備研制的優勢技術推向更加廣闊的市場，在智能制造、綠色制造、虛擬制造，強化工業基礎能力等領域全面發力。
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