新華社北京電(記者白國龍)3D打印,將讓人類在航空航天征途上飛得更快更高更遠。國內(nèi)3D打印及航空航天領(lǐng)域的專家們?nèi)涨霸谑讓谩爸袊�航空航天增材制造技術(shù)與應用論壇”上宣布,作為一項顛覆性的制造技術(shù),3D打印將給航空航天領(lǐng)域帶來重大變革。

3D打印為什么受到航空航天界的特別青睞?它會帶給我們哪些改變?這得從3D打印技術(shù)的原理特點說起。

3D打印技術(shù)誕生于上世紀80年代的美國,是將物體進行三維結(jié)構(gòu)化設(shè)計,采用分層加工、疊加成形的方式,以激光束或電子束作為熱源,將塑料、金屬合金、陶瓷等粉末材料按照預先設(shè)計的圖形逐層高溫熔化、凝固,最后得到與零件三維模型完全一致的真實零件,也叫“增材制造”。

如果說鑄造技術(shù)像用模具在冰箱中凍冰棍,鍛造技術(shù)像鐵匠千錘百煉打鐵器,那么3D打印則是一種全新的整體化制造技術(shù),能大幅簡化零件制造繁雜的工藝流程,大大地節(jié)省研制時間和提高原材料的利用率。

復雜零件輕松“搞定”

錢和時間省一半

不論是現(xiàn)代飛機還是航天器,都追求用盡可能少和輕的材料實現(xiàn)最大強度和剛度,因此構(gòu)件常常采用“占空比”很大的異形設(shè)計,導致其結(jié)構(gòu)特別復雜,形狀似“歪瓜裂棗”,像做過“鏤空”處理,用切削加工的方式制造則難度很大,有時95%的材料都被切割掉,且制造周期長達幾個月。

3D打印技術(shù)恰恰彌補了常規(guī)制造方法的不足,能快速地打印出結(jié)構(gòu)復雜的零件,是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)復雜零件產(chǎn)品化的捷徑。

想象一下,將飛機的渦輪盤、框梁,航天發(fā)動機泵殼體、航天器的網(wǎng)格壁板密封艙等關(guān)鍵部件,從三維模型剖切成若干層二維“薄片”,那么不論這個三維零件結(jié)構(gòu)多么復雜,只需逐層打印二維“薄片”并疊加粘結(jié),就可快速將產(chǎn)品完整做出來。

前不久,我國成功發(fā)射的首枚新一代運載火箭“長征七號”的某試驗搭載中,就有用到3D打印的鈦合金構(gòu)件。中國運載火箭技術(shù)研究院副總工程師陳濟輪向新華社記者透露,采用3D打印只用7天就搞定以往好幾個月才能加工完的零件。

中國工程院院士、北京航空航天大學教授王華明回憶說,國產(chǎn)大飛機C919機頭工程樣機的主風擋框、連接機翼和機身的上下緣條等鈦合金大型復雜關(guān)鍵構(gòu)件就曾采用3D打印制造,只用幾十天時間完成了傳統(tǒng)工藝耗時兩年的工作,材料用量不足傳統(tǒng)鍛件的十分之一。

“若使用3D打印技術(shù)制造航空航天構(gòu)件,至少可以壓縮一半的周期和成本�！敝袊�工程院院��、西安交通大學教授盧秉恒日前在首屆“中國航空航天增材制造技術(shù)與應用論壇”上介紹,美國宇航局2013年通過3D打印技術(shù)制造的J—2x火箭發(fā)動機噴注器就在高溫點火試驗中產(chǎn)生了創(chuàng)紀錄的9噸推力,并使整體式噴注器組零件數(shù)由原來的115個集成為2個,大大提高了生產(chǎn)效率。

從空間“五金店”

到“太空工廠”

“縮短型號研發(fā)流程,實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的小批量快速制造只是3D打印作為顛覆性技術(shù)的一個方面。”陳濟輪認為,3D打印將會打破傳統(tǒng)制造工藝對先進結(jié)構(gòu)設(shè)計的制約,讓產(chǎn)品設(shè)計師放手做出“天馬行空”的設(shè)計。

如今,3D打印已將人類生產(chǎn)制造活動延展到外太空。眾所周知,太空環(huán)境與地面上完全不同,就是緊固螺帽這么簡單的工作,在空間站都受到極大制約,更別說制造工具。因而在3D打印機被送上太空以前,人類進入太空就像去戶外露營,得把要用的工具都帶齊全。但自從空間站有了3D打印機,宇航員可以隨時設(shè)計打印出急需的個性化工具,就像多了個空間“五金店”。美國宇航局的地面工作人員就曾通過電子郵件給空間站傳了一個數(shù)字模型文件,由空間站上的宇航員自主地3D打印出一個急需的套筒扳手。

據(jù)悉,美國宇航局計劃將3D打印技術(shù)應用到太空發(fā)射系統(tǒng)的創(chuàng)建和“獵戶座”飛船的火箭部件上,并使之成為未來登陸火星計劃的一部分。

曾任歐洲空間局局長的讓·雅克·多爾丹近日在北京接受新華社記者采訪時表示,3D打印技術(shù)應用前景廣闊,或?qū)⒃谖磥砜臻g資源開發(fā)利用中,幫助人們直接在太空中進行礦產(chǎn)開發(fā)與深加工,實現(xiàn)飛行器在空間維修和燃料加注,使人類在深空探測中走得更遠。

科學家相信,隨著3D打印技術(shù)的不斷進步,人類未來有可能將地面制造工廠搬到外太空,利用太空中真空、超低溫等特殊環(huán)境和無限的空間及能源,制造出更多高精尖的產(chǎn)品。

助力中國空天制造

機遇與挑戰(zhàn)并存

在麥肯錫公司2013年公布的一份報告中,3D打印在今后影響人們生產(chǎn)組織模式和社會生活的十二項的重大顛覆性技術(shù)中名列第九。歐美各國都意識到3D打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的優(yōu)勢以及在空間站建設(shè)、深空探測等領(lǐng)域的潛在應用前景,各自形成了3D打印發(fā)展路線圖,并在航空航天領(lǐng)域積極作出部署。

“我國的3D打印相比國外,研究起步并不晚,某些方面還處于領(lǐng)先地位,但應看到,我國3D打印的產(chǎn)業(yè)發(fā)展較慢,企業(yè)規(guī)模不足�！北R秉恒院士坦言,目前仍存在著大型零件批量化生產(chǎn)難度大,產(chǎn)品的疲勞強度等性能滿足適航條件難,缺乏統(tǒng)一的制造和校驗標準、設(shè)備昂貴等瓶頸,和國外相比,存在數(shù)量級的差距。

如今,中國對3D打印技術(shù)日益重視,迎來3D打印良好的發(fā)展機遇。3D打印已被當作“中國制造2025”的一項重要工程來發(fā)展,國家已制訂了相應的發(fā)展規(guī)劃,并從十三五開始進行財力支持。

可以預見,隨著3D打印技術(shù)規(guī)模產(chǎn)業(yè)化,傳統(tǒng)的工藝流程、生產(chǎn)線、工廠模式、產(chǎn)業(yè)鏈組合都將面臨深度調(diào)整。3D打印技術(shù)在中國航空航天領(lǐng)域上的應用前景也將充滿無限可能。