航空增材制造：為國防軍事發(fā)力！

　　在國務院3D打印專題研討會中李克強總理指出，推動中國制造由大變強，必需加快實施“中國制造2025”和“互聯(lián)網(wǎng) ”行動，在轉(zhuǎn)變發(fā)展方式中培育中國制造競爭優(yōu)勢，讓更多有生命力的前沿技術(shù)和新興產(chǎn)業(yè)集群蓬勃發(fā)展，共同鑄就中國制造業(yè)新輝煌。

　　以“3D打印”為代表的“增材制造”對一般制造業(yè)來說，可能還是個新概念。但對航空制造業(yè)來說，“3D打印”并不陌生，早在30多年前就開始有人研究，現(xiàn)今已進入實際應用階段。該項技術(shù)誕生30多年來，我國航空工業(yè)從業(yè)者積極跟蹤研究，目前已經(jīng)在原材料尤其是粉末冶金制備，復雜結(jié)構(gòu)件制造，裝機部件使用分析等領(lǐng)域走在國內(nèi)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(yōu)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(shù)。目前最適用于高復雜度結(jié)構(gòu)、極小批量航空航天等產(chǎn)業(yè)，被國內(nèi)外公認為是對飛機、發(fā)動機等重大工業(yè)裝備研制與生產(chǎn)具有重要影響的核心關(guān)鍵制造技術(shù)之一。

　　據(jù)統(tǒng)計，采用切削加工技術(shù)，“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(tǒng)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(tǒng)方法對制造技術(shù)及裝備的要求也十分高，通常需要大規(guī)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(chǎn)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(shù)，不但可以節(jié)省材料三分之二以上，減少數(shù)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(fā)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(fā)動機前進了一代，而以往每開發(fā)一代發(fā)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(shù)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(fā)達國家差距的新機會。

　　航空企業(yè)“3D打印”技術(shù)領(lǐng)先

　　中航工業(yè)近年來一直致力于“3D打印”技術(shù)的研究，重點針對高端的金屬材料“3D打印”技術(shù)開展技術(shù)攻關(guān)，從金屬粉末到激光熔融設(shè)備，實現(xiàn)不同材質(zhì)零件的直接制造，不少已經(jīng)裝機使用交付客戶。

　　“3D打印”的本質(zhì)是材料的熔融再凝結(jié)。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(yè)能干的。

　　制備高純凈度、高球形度、尺寸粒度可控的高品質(zhì)金屬粉末是“3D打印技術(shù)”及其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的首要條件。中航工業(yè)航材院“3D打印技術(shù)”中心擁有多年高溫合金霧化制粉和鈦合金霧化制粉技術(shù)經(jīng)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(guān)鍵技術(shù)，配備了先進的霧化制粉設(shè)備和粉末檢測分析設(shè)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(chǎn)品已廣泛應用于“3D打印技術(shù)”領(lǐng)域，成為國內(nèi)金屬粉末的主要供應商。特別值得一提的是，中航工業(yè)航材院采用3D打印技術(shù)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(jié)構(gòu)、功能一體化的耐熱/控熱結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)強度、剛度、完整性顯著優(yōu)于傳統(tǒng)材料制件。

　　承力多少一定程度上決定了“3D打印”在航空結(jié)構(gòu)件上的應用范圍。針對復雜的結(jié)構(gòu)，中航工業(yè)制造所依托高能束流加工技術(shù)國家重點實驗室，在國際上率先實現(xiàn)了電子束熔絲成形飛機鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件和激光選區(qū)熔化成形大尺寸金屬復雜結(jié)構(gòu)功能構(gòu)件的裝機應用。中航工業(yè)沈陽所聯(lián)合北京航空航天大學合作研發(fā)的激光快速成型鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)在飛機上成功實現(xiàn)應用，技術(shù)水平居世界領(lǐng)先。中航飛機研發(fā)中心將全三維數(shù)字化設(shè)計技術(shù)與3D打印技術(shù)相結(jié)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(jié)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(yè)大幅改進調(diào)整了研制生產(chǎn)周期和流程。中航工業(yè)光電所應用“3D打印技術(shù)”完成了機載光電探測設(shè)備的新品原理樣件，實現(xiàn)了機載光電探測設(shè)備數(shù)字模型的快速實物驗證，形成了快速設(shè)計、性能評估優(yōu)化、三維虛擬裝配、樣機快速試制一體化閉環(huán)設(shè)計驗證環(huán)境。中航工業(yè)自控所運用3D打印導航產(chǎn)品零件，加工周期成倍縮短，總體工作量僅為傳統(tǒng)方式的五分之一，為零件快速試制提供了新的生產(chǎn)模式。中航飛機西安飛機分公司將逆向工程技術(shù)、3D打印、精密鑄造和數(shù)字化測量有機結(jié)合，打通了以三維技術(shù)為核心的數(shù)字化制造鏈條，成功將3D打印技術(shù)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(chǎn)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(chǎn)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(yè)航材院采用激光3D打印技術(shù)修復飛機起落架磨損、腐蝕缺陷，經(jīng)過1600余次起落飛行，狀態(tài)良好。航材院還突破3D打印技術(shù)修復飛機發(fā)動機葉片研究，使我國躋身于能用3D打印技術(shù)修復航空發(fā)動機關(guān)鍵件的少數(shù)國家行列。

　　“互聯(lián)網(wǎng) ”航空優(yōu)勢技術(shù)望引領(lǐng)先進制造

　　美國GE公司曾在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布消息，挑戰(zhàn)3D打印，將飛機的一個零部件讓創(chuàng)客設(shè)計。其中一名19歲的設(shè)計者只用了原始結(jié)構(gòu)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(lián)網(wǎng) ”與“3D打印”結(jié)合帶來的益處。

　　航空“3D打印”產(chǎn)品的大范圍推廣市場有限，距離形成比較經(jīng)濟優(yōu)勢，需要通過新思維新模式促進增材制造技術(shù)在全社會的推廣應用，加快技術(shù)優(yōu)勢向產(chǎn)品優(yōu)勢和市場優(yōu)勢的轉(zhuǎn)化。“3D打印”展現(xiàn)了全民創(chuàng)新的通途，互聯(lián)網(wǎng)是一個萬眾創(chuàng)新的平臺。“互聯(lián)網(wǎng) 制造”突破圍墻，把互聯(lián)網(wǎng)和制造業(yè)結(jié)合起來，將補足中國制造業(yè)原始創(chuàng)新、開始設(shè)計能力弱的短板，賦予中國制造新的生命。

　　中航工業(yè)創(chuàng)造性地借助“互聯(lián)網(wǎng) ”模式，打造我國第一個大型產(chǎn)業(yè)互聯(lián)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺——中航聯(lián)創(chuàng)，陸續(xù)推動“愛創(chuàng)客”平臺正式上線，以“3D打印技術(shù) 互聯(lián)網(wǎng)”的模式為參考，提出“互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)動機研發(fā)與制造”、“互聯(lián)網(wǎng)+航空基礎(chǔ)技術(shù)”研發(fā)及商業(yè)新模式。中航聯(lián)創(chuàng)平臺上線以來，先后與地方政府、重點院校、產(chǎn)業(yè)園區(qū)、孵化器、創(chuàng)新型企業(yè)等100多家創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)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(fā)優(yōu)質(zhì)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目30余個，部分項目已進入實施階段。中航聯(lián)創(chuàng)已上線的125個基礎(chǔ)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(yōu)勢技術(shù)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(yè)基礎(chǔ)能力等領(lǐng)域全面發(fā)力。