走进中航工业,探秘金属3D打印飞机部件

时间:2016-01-28 08:48来源:沈阳日报作者:yeyan 点击:
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摘要:大数据时代,3D打印这个词汇从陌生到熟悉,从模糊到清晰,走过了这个时代许多新鲜事物发展演变的路径。人们熟悉的印象里,那个一层一层逐级攀升的塑料材质的物体既可以制成自己的肖像,也可以造出各种模型。但与民众接触到的更具娱乐意味的3D打印技术相比,因材质不同而另称的金属3D打印,则因为技术含量和应用领域的不同而更具有高端性和神秘感。

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  大数据时代,3D打印这个词汇从陌生到熟悉,从模糊到清晰,走过了这个时代许多新鲜事物发展演变的路径。人们熟悉的印象里,那个一层一层逐级攀升的塑料材质的物体既可以制成自己的肖像,也可以造出各种模型。但与民众接触到的更具娱乐意味的3D打印技术相比,因材质不同而另称的金属3D打印,则因为技术含量和应用领域的不同而更具有高端性和神秘感。
 
  金属3D打印,多被用于机械制造和航空航天工程中形状复杂的零件制造,对技术指标要求极高。但如果你认为金属3D打印的技术还是“外国的月亮圆”的话,那可能你就犯了一个错误,因为若论金属3D打印技术与航空工程的融合应用技术,世界顶尖水平的所在就在沈阳,在我们身边。走进这里,你会感受到最新的金属3D打印技术的精妙,发展脉络的精彩,以及那些鲜为人知的关于3D打印故事的引人入胜。

中航工业沈阳飞机设计研究所飞机控制工程试验室

3D打印的金属构件

3D打印的金属构件

3D打印的金属构件
 
  追根溯源
 
  似乎没有人能够准确地说出3D打印是什么时间走入了我们的生活,就好像这个快速发展的大数据时代很多新生事物一样,忽然之间走进人们视野,又铺天盖地的扑面而来,而又在你尚未完全弄懂搞明白它之前开枝散叶大肆发展。
 
  3D打印是一个比较通俗的名字,更学术一点称呼叫做增材制造。它是一种以数字模型为基础,运用粉末状(或丝状)金属或非金属等可熔化或粘合材料,通过逐层累积的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用3D打印设备来实现的。过去常在模具制造、工业设计等领域用于制造模型,现正逐渐用于一些产品的直接制造,已经有使用这种技术打印而成的零部件。目前在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车,航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域上都出现了3D打印的身影。
 
  增材技术的历史,最早可以追溯到20世纪70年代末期,早在1979年,美国联合技术研究中心的D.B.Snow等人就进行了采用激光多层熔覆的方法制造镍基高温合金零件的研究并取得了相关专利,形成了增材制造技术的雏形,但由于此时零件的三维计算机建模及分层切片等图形处理技术成熟不够,这项技术不具备发展成为实用技术的条件。2012年3月,奥巴马总统宣布计划投资10亿美元,首选发展增材制造技术,在美国构建一个由15个制造创新联盟组成的国家网络,他们将作为区域性的制造优势中心,帮助提升美国制造商的竞争力,并鼓励在美国进行投资。而与此同时,国内的3D打印因为技术的进步也热度陡生。
 
  “上上个世纪的思想,上个世纪的技术,这个世纪的市场……”这句对3D打印的评语,现在来看异常贴切。
 
  技术探营
 
  王向明,中航工业沈阳飞机设计研究所的项目总设计师、飞机结构3D打印应用技术的领军人物,2003年起便组建技术团队,开展了3D打印在飞机结构中的应用研究。通过十余年坚持不懈的持续探索,造就如今居于世界前列的金属3D打印技术与航空工程的融合。
 
  塔湾街40号,就是沈阳飞机设计研究所的所在,走进这个静谧的院落,四面虽还都是冬日里的肃杀,但你却能时时处处闻到、感受到四周弥漫的技术的味道。这家始建于1961年的研究机构,是新中国组建最早的飞机设计研究所,一系列飞机设计与研究工作都在这里孕育而生,当然也包括如今已成绩斐然的金属3D打印。
 
  沈阳飞机设计研究所金属3D打印的“孵化室”名叫“新型功能结构研发与工程化应用研究实验室”,这个新型功能结构研发的航空科技重点实验室专门从事孕育金属3D打印技术的设计创新,并把它与航空工业相融合,直至把这项技术推至世界的巅峰。该实验室承担基于增材制造和特种加工技术的新型功能结构的设计、制造、测试验证、工程化应用研究工作,以及负责新型功能结构的设计许用值测试和基础数据库建设,推进新型功能结构研究成果向型号的工程应用转化,逐步实现快速试制技术体系的建设。这里集中了全所并联合了行业内增材技术领域的优势技术力量,充分体现了专业的融合和技术队伍的集约化特点。科研人员的专业配置包括:结构创新设计、功能化结构设计、结构基础技术、新结构验证技术等多个领域方向,实验室根据飞行器结构不同的技术特点、发展和需求,基于增材技术的创新结构设计与开发,结构特性分析研究、设计优化研究、试验验证以及结构特性评估研究,重点实现从原理、方法、技术的全覆盖,显著提高了增材制造技术的研究水平。
 
  历经十余年的技术开拓,研究所实现了增材技术从次承力构件到主承力构件,再到规模化应用的三个跨越,拥有多项发明专利,完成了4项增材制造技术、5种金属材料、7类结构件在多型飞机上的装机应用,取得多项重大研究成果,使我国成为世界上唯一在飞机结构增材制造技术上实现规模化应用的国家。
 
  缘起不减
 
  金属3D打印技术能在沈阳飞机设计研究所“开枝散叶”,缘于十多年前的一次偶遇和执着,用王向明的话来说,这可以称作是“一个核桃”的故事。
 
  2003年,北京航空航天大学的王化明教授(2015年当选中国工程院院士)来到沈阳飞机设计研究所,并随身带来了一个类似“核桃”形状的金属物体,犹如技术“种子”,开始孵化钛合金结构激光增材制造应用技术,这也是二人正式创建联合研发团队、展开全面技术合作的开端。通过五个方面十三个技术方向的研究,历经十多年时间,走过了三个里程碑。
 
  第一个里程碑是2005年,突破钛合金次承力件关键技术,使我国成为继美国之后, 世界上第二个掌握飞机钛合金结构件激光成形技术及装机应用的国家。第二个里程碑是2009年,突破了钛合金大型、复杂主承力件关键技术,使我国一跃成为迄今世界上唯一掌握该技术并实现装机工程应用的国家。第三个里程碑是2012年,在新机研制中实现了规模化应用。团队先后荣获国家技术发明一等奖和两项国防科技一等奖。
 
  当下,我国航空、航天、船舶、汽车、海洋工程等现代重大工业装备正向着大型化、复杂化、功能化和极端条件下高可靠长寿命服役方向快速发展,对装备结构、材料及制造均提出了更加苛刻的要求。轻量化、整体化、长寿命、高可靠性、结构功能一体化以及低成本成为结构设计、材料应用和制造技术共同面临的严峻挑战,这取决于结构设计、结构材料和现代制造技术的进步与创新。增材技术,具有短周期、低成本、激发创新的新兴技术,代表着先进制造技术的发展方向,属于在重大装备制造中具有重大应用价值的变革性制造技术。
 
  大型航空钛合金零件的材料利用率非常低,平均不超过10%,同时,模锻、铸造还需要大量的工装模具,由此带来研制成本的上升。通过增材制造技术,不仅可以节省材料2/3 以上,数控加工时间减少一半以上,同时不再需要模具可实现“快速反应”。更重要的是,增材技术解放了制造工艺对结构设计的约束,可以制造出最优化设计的结构件,从而将研制成本尤其是首件、小批量的研制成本大大降低。
 
  “粉丝飞机”
 
  珠海航展首秀的鹘鹰飞机,已经融合进了大量的金属3D打印技术以及部件。这些制件的原材料由金属粉和金属丝构成,团队成员形象称之为“粉丝飞机”,名字时尚,但飞机的金属3D打印部件的制造过程机械枯燥,与“粉丝飞机”这个轻松的词汇似乎并不相配。
 
  王向明告诉记者,搞飞机结构设计,就想要把飞机设计得性能好、重量轻。“我们刚刚接触3D打印技术的时候,就觉得眼前一亮,觉得这是多年寻找的东西。首先它是以材料“生长”的方式在制造零件,换句话说它更符合自然规律。我们自然界所有的东西都是以生长的方式在出现,以前我们的制造等材、减材方式居多,突然出现一种增材的方法来搞金属零件,其诱惑是绝无仅有的。”回忆起初涉金属3D打印技术的时候,王向明如是说。
 
  十多年时间对于科技研究来说,并不漫长。早在2005年,研发团队在突破次承力件关键技术时发现了一个问题,当时美国Aeromet公司倡导整个激光成形技术的发展理念,就是直接在结构基板上生长成形,经过简单的加工就成为零件。理念虽好,但研究中发现在中等厚度的薄板上直接成形的制件,其疲劳强度存在严重不足。要知道飞机的服役期需要数十年,对疲劳性能的要求非常高,这样的情况疲劳性能根本无法满足要求。为此,团队提出了一个全新的理念,叫无结构基板成形,这个技术实际上为零件的良好力学性能奠定了制造工艺基础,为用于主承力结构提出了技术保障。
 
  金属增材制造的最大技术难点是变形与开裂,为使零件能做得更大、更复杂,团队又研发了一个宏观尺度离散成形连接技术,通过一边成形一边连接的办法,可以把零件做得很大、很复杂而不变形开裂,为大型复杂主承力结构件的增材制造提供核心支撑技术。至此,全面突破了钛合金主承力结构增材制造技术,并在鹘鹰飞机上实现了规模化应用。以此为核心,构建了无模敏捷制造的快速试制模式。
 
  技术细节的打磨总是一项艰难的历程。多年坚持,沈阳飞机设计研究所飞机增材技术取得了举世瞩目的成就,他们突破多项关键技术,研制的零件种类覆盖除蒙皮壁板外的所有飞机结构件,材料包括多种钛合金、超高强钢等,先后在4个飞机型号或项目中得到应用。
 
  未来可期
 
  沈阳飞机设计研究所在国家3个五年计划的持续支持下,结合在研型号研制,在飞机结构增材技术领域取得了举世瞩目的成就,深刻认识增材技术发展的核心是技术创新,在注重关键工艺的同时,发挥设计创新引领作用,更好地挖掘增材技术的巨大潜力。为此,沈阳飞机设计研究所与北京航空航天大学、西北工业大学、西安交通大学、中航工业625所等国内增材技术优势单位合作,从创新源头出发,开展了从结构创新设计到原理验证、工艺优化、综合验证、快速试制,直至工程应用的覆盖九级成熟度的“政、产、学、研、用”结合的一条龙发展路线,形成了成熟设计思想与方法。
 
  举目前望,如何让金属3D打印在更多的领域做更多的事儿,是团队一直思考的问题。在他们的计划里,用越来越先进也越来越实用的金属3D打印推动军民融合,再经过深度发展,进而发挥更大的功效。2015年辽宁省科技厅批准沈阳飞机设计研究所组建增材制造产业共性技术创新平台和工程技术中心,沈阳市政府也在大力推进增材技术产业化服务地方经济的进程。省市领导和主管机关领导多次现场考察,为沈阳飞机设计研究所增材技术提供有力支持,为促进军民融合持续发展搭建了宽阔舞台。
 
  已经有不止一人预言,在未来工业领域应用方面,金属3D打印将拥有强大的竞争力。现在桌面3D打印机打印出来的普通的成品大都是塑料制品,主要用来展示及模型等,在实用性方面还有所欠缺。但随着科技发展和推广应用需求,利用快速成形直接制造金属功能零件,将成为了快速成形主要的发展方向。金属零件增材技术作为整个3D打印体系中最为前沿和最具潜力的技术,是先进制造技术的重要发展方向,它所能呈现的功用和空间无法预料。借助省市地域优势和省市政府改革创新的强力推动,沈阳飞机设计研究所的增材技术必须成为支持地方经济发展和科技创新的璀璨新星。
 
  1月22日,辽宁省增材制造产业共性技术创新平台合作框架协议签署暨揭牌仪式在中航工业沈阳所飞行器仿真中心隆重举行。沈阳所作为平台理事长单位与12家理事单位签署了合作框架协议。
 
  辽宁省增材制造产业共性技术创新平台以沈阳所新型功能结构实验室军用增材技术为依托,集结了省内多家优势单位,力求建成综合实力和技术研发水平国内领先的创新型增材技术产业平台。创新平台重点致力于军民共用的增材技术创新研究、技术开发、成果转化及应用推广,打造一条龙技术发展链条,形成健全的开放服务能力,面向辽宁省民用航空、汽车工业、海洋工程、智能制造等产业的重大高端装备研制转型及科技平台创新的需求开展服务。按计划到2018年,将全面完成平台建设,形成具有自主特色的军民融合增材技术研究体系和国内领先的增材技术研发能力,并建成我国第一个工业级、全产业链增材技术研发基地和第一个增材技术军转民技术产业孵化平台。
 
【光粒网综合报道】( 责任编辑:yeyan )
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