我國首批“青千”潘登教授：中國航空3D打印才剛剛開始

結(jié)構(gòu)復(fù)雜的航空部件制造如何能化繁為簡，一次成形？

傳統(tǒng)的部件制造材料利用率僅5%，可以提高到85%？

哪種技術(shù)工藝可將部件制造周期由24個月縮短至3個月，并且大大延長使用壽命，節(jié)約上百萬人民幣的維修成本？

答案是，3D打印。

潘登教授是美國約翰霍普金斯大學(xué)博士，先后入選教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才”支持計劃、上海市“東方學(xué)者”特聘教授，現(xiàn)任浙江清華長三角研究院特種金屬研究中心主任、上海市高校“金屬基先進電力材料”重點實驗室主任。

故事要從5月5日我國首架國產(chǎn)大飛機C919試飛成功開始說起，這架大飛機的首飛圓了國人自住制造的夢想，此外還有一個不得不說的亮點便是開啟了增材制造技術(shù)在國內(nèi)航空領(lǐng)域的應(yīng)用時代：簡單來說就是大飛機上應(yīng)用了3D打印技術(shù)制造的若干功能件，這在國內(nèi)尚屬首次。

盡管和傳統(tǒng)的鑄鍛和機加工技術(shù)相比，3D打印技術(shù)用的材料成本高，但僅就航空領(lǐng)域而言，單個結(jié)構(gòu)件在制造過程的裝配成本和生命周期的運營成本可以節(jié)省上百萬人民幣，絕對是個“穩(wěn)賺不賠”的生意。中國3D打印與航空領(lǐng)域的故事，才剛剛開始。

“小鍋菜”的定制生產(chǎn) 一步到位的制作工藝

3D打印技術(shù)是一種全新的制造方法，其思想突破了傳統(tǒng)的材料變形成形和去除成形的原理。利用這種方法可在沒有工裝夾具或模具的條件下，迅速制造出任意形狀復(fù)雜的三維實體零件。只需4步，便可制作一個3D打印產(chǎn)品。

第一步，計算機建模；
第二步，將模型層化，也就是把三維的模型變成二維；
第三步，把模型信號輸入打印機，逐層打印；
第四步，疊層成形。

因此，3D打印技術(shù)，學(xué)名又叫“增材制造”、“快速成形技術(shù)”。與3000年歷史的傳統(tǒng)制造業(yè)中的等材制造和減材制造不同，僅有30余年歷史的3D打印遵從加法原則，可直接將計算機中的設(shè)計轉(zhuǎn)化成模型，省去了傳統(tǒng)制造中需要刀具、夾具和機床的麻煩。

盡管3D打印技術(shù)的材料價格遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)制造工藝，但其材料利用率、制造周期和制造過程中的裝配成本、產(chǎn)品的運營成本較傳統(tǒng)制造工藝來說大大減少。該技術(shù)被認(rèn)為是“20 世紀(jì)末制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破”，并有可能成為21 世紀(jì)的主流制造技術(shù)！

3D打印的優(yōu)勢有八個字：制造簡化、超越傳統(tǒng)。它能將制造工藝化繁為簡，步驟從N到1。以航空中使用到的LEAP-1C噴射引擎噴油嘴為例，傳統(tǒng)的制造工藝制造起來非常復(fù)雜，需要通過焊接、鉚接等一系列步驟才能完成，但3D打印技術(shù)可一次成型，且在使用壽命上具有不可替代的優(yōu)勢。

還有一種部件結(jié)構(gòu)，外壁為實心，外壁的內(nèi)部為空心，內(nèi)部又是一個空心結(jié)構(gòu)，這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)工藝極難實現(xiàn)，但通過3D打印技術(shù)只需一次即可完成。

如果說傳統(tǒng)鑄造是做大鍋菜：大量制造，以量制價，那么數(shù)字化制造的3D打印便是小鍋菜，小量生產(chǎn)，成本均一，可以實現(xiàn)定制化生產(chǎn)。作為智力密集型產(chǎn)業(yè)的3D打印企業(yè)已經(jīng)在各國市場所在地設(shè)廠，隨時響應(yīng)市場需求。

如今，3D打印技術(shù)已覆蓋航空、兵器、汽車和生物醫(yī)用產(chǎn)業(yè)。美國、歐洲、日本和中國都將3D打印技術(shù)作為國家戰(zhàn)略之一，制定國家增材制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展計劃。

最難的航空3D打印“魚”和“熊掌”如何兼得？

3D打印由設(shè)備、軟件、材料等三部分組成，其中材料是不可或缺的環(huán)節(jié)，而現(xiàn)在業(yè)界主要研究的是設(shè)備和軟件，對材料研究還不夠重視。

3D打印的發(fā)展離不開打印材料的支持，好的打印材料應(yīng)具備四個方面的特點：其一，耗材無毒、環(huán)保；其二，材料性能要穩(wěn)定，能夠滿足打印機持續(xù)可靠運行；其三，材料功能應(yīng)該是越來越豐富，例如現(xiàn)在已對部分材料提出了導(dǎo)電、水溶、耐磨等要求；其四，經(jīng)濟性要好，客戶用得起。在航空3D打印專用粉末應(yīng)用中，對其粒度、尺寸分布、球形度、氧含量、純度等方面均有嚴(yán)格的要求。

因此業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)識到，材料瓶頸已成為限制3D打印發(fā)展的首要問題。尤其是在民用工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的鐵基、鋁基金屬粉末、高端領(lǐng)域所用的鈦基、鈷基金屬粉末和高性能3D打印專用金屬材料已成為研究的熱點。

同時，由于飛機服役環(huán)境的復(fù)雜性和與其他領(lǐng)域相比更長的設(shè)計壽命，加上不同飛機部件對性能的不同需求（例如飛機的發(fā)動機部件對高溫性能要求極高；起落架的主要性能需求卻集中在抗沖擊、抗腐蝕；而飛機的主結(jié)構(gòu)又強調(diào)對強度和疲勞壽命方面的滿足），因此航空3D打印可以說是所有3D打印技術(shù)中最難的。

航空3D打印的中國故事才剛剛開始：需要一個聯(lián)合艦隊

除了材料的瓶頸需要突破之外，這一3D打印技術(shù)中最難的領(lǐng)域，在材料制備上還存在著瓶頸。如今3D打印金屬粉體制備常使用“氣體霧化法”和“旋轉(zhuǎn)電極霧化法”。

前者利用高速氣流粉碎液態(tài)金屬流制備粉末，生產(chǎn)成本低，適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，但難以生產(chǎn)粒徑極小的粉末；后者適合所有金屬粉末的制備，氧含量低，球形度高，流動性好，但幾乎不可能生產(chǎn)粒徑小于50微米的粉材。而這兩種方法均無法完全解決航空3D打印技術(shù)材料制備上的難題。

此外，在制造過程中，大量的基礎(chǔ)研究課題和技術(shù)瓶頸尚亟待解決：如何實現(xiàn)完全熔化與組織控制？如何抑制微觀孔洞、晶粒取向生長？如何限制構(gòu)件系統(tǒng)誤差……

潘登認(rèn)為，盡管3D打印在航空領(lǐng)域想象空間巨大，但在攻關(guān)過程中，除了每一步都精益求精，更加需要一種“笨工匠精神”。更重要的是，“需要不同領(lǐng)域的企業(yè)和科研院所組成聯(lián)合艦隊，摒棄門戶觀念，協(xié)同努力，強強聯(lián)合，共同突破這些技術(shù)瓶頸�！迸说菑娬{(diào)。

可以預(yù)見，不久的將來，在中國的第二架、第三架國產(chǎn)大飛機上，能實現(xiàn)更多的3D打印部件，續(xù)寫3D打印技術(shù)在中國航空領(lǐng)域的故事。

來源：科學(xué)家在線