航空航天工業(yè)

航空航天引入3D打印的必要性

航天航空技術(shù)是當今世界最具影響力的高新科技之一，而航天航空制造技術(shù)是航天航空技術(shù)的重要組成部分，其發(fā)展水平對于飛機、火箭、導彈和航天器等航天航空產(chǎn)品的可靠性增強與使用壽命延長，綜合技術(shù)性能的完善，研制和生產(chǎn)成本的降低，甚至總體設(shè)計思想能否得到具體實現(xiàn)，均起著決定性作用。同時，航天航空制造技術(shù)是集現(xiàn)代科學技術(shù)成果之大成的制造技術(shù)，集中代表了一個國家的最高制造業(yè)水平和技術(shù)實力，是衡量一個國家科技發(fā)展綜合水平的重要標志之一。
3D打印技術(shù)在航天航空領(lǐng)域的應用優(yōu)勢
第一，實現(xiàn)復雜難加工零件的制造。航天航空裝備關(guān)鍵零部件的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常較為復雜，鑄造、鍛造等傳統(tǒng)制造工藝難以精準加工，而金屬3D打印技術(shù)無需像傳統(tǒng)制造技術(shù)一樣研發(fā)零件制造過程中使用的模具，能讓讓高性能金屬零部件，尤其是高性能大結(jié)構(gòu)件的制造流程大為縮短，這將極大的縮短產(chǎn)品研發(fā)制造周期。國防大學軍事后勤與軍事科技裝備教研部教授李大光表示上世紀八九十年代，要研發(fā)新一代戰(zhàn)斗機至少要花10-20年的時間，而如果借助3D打印技術(shù)及其他信息技術(shù)，最少只需3年時間就能研制出一款新戰(zhàn)斗機，因為3D打印技術(shù)最突出的優(yōu)點是無需機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件。
第二，顯著提高材料利用率。航天航空裝備對材料的性能和成分要求十分嚴苛，而材料的極大浪費也就意味著機械加工的程序復雜，生產(chǎn)時間周期長。傳統(tǒng)制造方法對材料的使用率很低，一般不會大于10%，甚至僅為2%-5%，對于難加工的技術(shù)零件，加工周期會大幅度增加，制造周期明顯延長，從而造成制造成本的增加。3D打印技術(shù)可以輕松地加工高熔點、高硬度的高溫合金、鈦合金等難加工材料，且3D打印加工過程中對材料的利用相對充分，只需進行少量的后續(xù)處理即可投入使用，材料的使用率達到了60%，有的可達90%以上，可以節(jié)約原材料且顯著的降低制造成本。
第三，可有效實現(xiàn)零件減重。減重是航天航空武器裝備永恒不變的主題,不僅可以使飛行裝備在飛行過程中更靈活，而且可以減少載重量，節(jié)省燃油，降低飛行成本。但是傳統(tǒng)的制造方法已經(jīng)將零件減重發(fā)揮到了極致，想再進一步發(fā)揮余力，已經(jīng)不太現(xiàn)實。但是3D技術(shù)的應用可以在保證性能的前提下優(yōu)化復雜零部件的結(jié)構(gòu)，減少零部件數(shù)量，實現(xiàn)零部件的整體制造，無需焊接、鉚接等組裝工藝，經(jīng)變換重新設(shè)計，將復雜結(jié)構(gòu)設(shè)計成簡單結(jié)構(gòu)，從而起到減輕重量的效果。而且通過優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)，能使零件的應力呈現(xiàn)出最合理化的分布，降低疲勞裂紋產(chǎn)生的危險性，從而提高零部件的結(jié)構(gòu)強度、增強完整性和可靠性等性能、增加使用壽命。戰(zhàn)機的起落架是承受高載荷、高沖擊的關(guān)鍵部位，這就需要零件具有高強度的抗沖擊能力。美國F16戰(zhàn)機上使用3D技術(shù)制造的起落架，不僅滿足使用標準，而且平均壽命是原來的2.5倍。
第四，可快速修復零部件破損部分。在航天航空領(lǐng)域，重大裝備造價昂貴，如果使用過程中出現(xiàn)零部件損壞或零件尺寸不合要求等問題，將造成很大經(jīng)濟損失。此時，選擇利用3D打印技術(shù)修復零部件破損部分，使整體裝備快速投入使用是明智的。以高性能整體渦輪葉盤零件為例，當盤上的某一葉片受損，則整個渦輪葉盤將報廢，直接經(jīng)濟損失價值在百萬之上。在以前，這種令人心痛的損失可能不可挽回，但是基于3D打印逐層制造的特點，我們只需將受損的葉片看作是一種特殊的基材，在受損部位進行激光立體成形，就可以回復零件形狀，且性能滿足使用要求，甚至是高于基材的使用性能。由于3D打印過程中的可控性，其修復帶來的負面影響很有限。事實上，3D打印制造的零部件更容易得到修復，匹配性更佳。相較于其他制造技術(shù)，在3D修復過程中，由于制造工藝和修復參數(shù)的差距，很難使修復區(qū)和基材在組織、成分以及性能上保持一致性。但是在修復3D成形的零件時就不會存在這種問題了。修復過程可以看作是3D打印過程的延續(xù)，修復區(qū)與基材可以達到最優(yōu)的匹配。這就實現(xiàn)了零件制造過程的良性循環(huán)：低成本制造+低成本修復=高經(jīng)濟效益。
國內(nèi)外應用現(xiàn)狀
因為3D打印的諸多優(yōu)勢，國內(nèi)外在此領(lǐng)域的研究屢有突破。國內(nèi)方面，中國航天科技集團公司與上海航天設(shè)備制造總廠聯(lián)合研制出一款多激光3D打印機，目前已成功打印出衛(wèi)星星載設(shè)備的光學鏡片支架、飛機研制過程中用到的葉輪等構(gòu)件。這些構(gòu)件有的形狀極其不規(guī)則，有的微小而復雜，如果采取傳統(tǒng)加工技術(shù)，不僅造價昂貴、廢品率高，甚至難以加工生產(chǎn)，而這臺3D打印機很快就能打印出來。成都航利集團利用3D打印技術(shù)進行飛機發(fā)動機葉片修復，開展了數(shù)字化仿真、壽命評估等前沿理論研究和再制造技術(shù)預算，創(chuàng)建了國內(nèi)第一套具有國際先進水平的航空發(fā)動機再制造技術(shù)和工程管理體系，使按引進標準不能修復的3萬余件關(guān)鍵零部件得到再生，實現(xiàn)了軍用航空發(fā)動整機性能升級，成為航空發(fā)動機精密零件世界級生產(chǎn)基地和供應商，并建成國內(nèi)首個“航空發(fā)動機再制造技術(shù)應用研發(fā)中心”。國外方面，美國航空航天和軍火承包商Aerojet Rocketdyne日前成功完成MPS-120 Cube

3D打印在航空航天的凸顯優(yōu)勢