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关于3D打印技术在航空制造领域的应用

最近我在参加的一个技术交流会中,结识了中国石化盈科的3D打印业务架构师王涛老师,他曾经在中科院力学所,现在石化盈科主要做3D打印技术的研究。通过王老师的介绍和之后的交流,我发现3D打印技术已经从12年时的概念阶段发展到了理性成长期,在工业领域特别是汽车、飞机零件制造业的应用也将达到一个新的高度。这可能为我们提供了一个零件加工制造的新思路:引进合作团队或企业发展3D打印技术进行飞机零件加工制造。

虽然目前我们团队的重点已经不再是联系企业和团队进行“打包”,但是作为未来的新技术领域,同时也作为以后飞机零件加工制造的一个环节,我认为有必要对“3D打印技术在航空制造业的应用”投入关注和调研。

在与王老师的交流中,我发现几个最近一年国内比较前沿的研究案例:

北航王华明老师的团队用3D打印金属烧结制造飞机钛合金部件
王华明老师在中科院的演讲 中航年轻团队:3D打印飞机零件 西工大携手法国空客公司研发3D打印飞机零部件 自控所首个3D打印航空零件试制成功

  • 3D打印技术

3D打印是一种快速成型技术的一种,以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

3D打印这个概念的提出已经有很长的历史了,过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,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。该技术在工业设计、建筑、工程和施工、汽车,航空航天、牙科和医疗产业、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。最近几年这一概念被炒到了台面,但是与其相反的现实是这一技术的普及进展的相当缓慢。直到2014年,3D打印技术才开始走上理性增长。以上结论是根据 Hype Cycle 技术曲线得出。

3D打印实现的方式有很多种,目前常见的民用3D打印机仅是娱乐使用,原材料多是激光+纸,硅胶,塑料棒,粉末,颜料和粘合剂。用于芯片等精密制造业的3D打印技术,多采用激光+特殊树脂来进行板面加工。而工业领域目前符合3D打印概念的,也多是模具的加工生产,因为材料使用上(如金属,复合材料)的限制少有进行直接用于进行加工生产的3D打印机。目前随着3D打印技术的发展,在医学领域也得到大规模应用,如人工心脏,肾脏,脊椎,颈椎等。

3D打印技术区别于传统制造技术,同时也是3D打印技术的优点,是:

  1. 低成本制造少量复杂的物品。对于不用投入量产的复杂精密物体,采用3D打印技术是绝佳应用。另一方面,3D打印采用数字技术前期对打印物体进行精密的设计和模拟,然后采用数字仪器进行“打印”。
  2. 异体一体化打印。对于需要在生产后进行组装的精密零件,3D打印技术可以一体化打印,让零件在打印后就已经是组装完成的状态,由计算机数字控制的精度保证了打印物体的精密度。
  3. 通过3D技术获取物体外形精确复制。
  4. 增材制造。对应传统的消材加工制造,节约成本。
  5. 混合材料技术。3D打印技术在工业领域除了制造模具,还可以使用金属粉末作为原料,由喷头喷出金属粉末,激光快速融化铸型。打印原料可以混合多种材料达到必要的控制要求。

目前,3D打印技术的瓶颈在于材料的突破,只有有限的材料目前能够成熟的运用在3D打印上,复合材料的使用仍然是目前研究的热点。3D打印技术要成为主流的生产制造技术还尚需时日。

  • 3D打印技术在航空零件制造上的前景

3D打印技术在共业领域的应用源自于上个世纪七八十年代,福特汽车的发动机模具等用的沙陶材质就是用精准的3D打印技术完成的,但是收到当时技术能力的限制,金属3D打印还没能实现。目前使用金属烧结技术进行3D打印已经比较成熟,也有很多相关事例,如北航的王华明的团队,以及其他材质用于3D打印的航模。在飞机零件加工制造上,我认为有以下几点优点:

  1. 精密零部件的加工制造。3D打印技术完全由数字技术控制,精准度得到保证,可异体一体化打印,避免零件生产后组装加工的误差。
  2. 不用考虑大规模流水线的成本因素。量产和非量产都适用。
  3. 整体制造。目前在载人飞机的规模上还达不到整体飞机架构的整体制造,但是目前航模已经能够采用整体框架3D打印。
  4. 增材制造节省成本。

根据以上叙述,我建议以后针对目前国内的工业领域飞机零件制造商进行调研时,着重考虑3D打印技术的运用并倾向性合作;可以在研究院内加入高校科研团队进行3D打印技术投入大规模生产制造的研究。