中國航發(fā)商發(fā)石磊：航空航天領域增材制造

中國航發(fā)商發(fā)石磊博士進行主題演講。

    石磊：各位專家、各位領導，下午好！
    本次匯報有四方面內容，前面主要介紹一下增材制造分類、優(yōu)勢以及在航空航天領域的一些應用，第三部分介紹一下行發(fā)公司在增材制造領域應用實踐，第四部分是指出增材制造現在面臨的挑戰(zhàn)以及未來的發(fā)展趨勢的預測。
    第一部分內容，增材制造技術的分類和技術特點。增材制造技術大致分為兩類，一個是粉末床式，例如激光或者電子束，以及非金屬的激光燒結，這種技術可以成形一些復雜構件，成形精度比較高，表面質量比較好，特別是對于電子束熔化技術，它處于真空環(huán)境，而且可以預設很高的溫度，對于一些難熔的材料，比如對于鈦鋁合化合物成形非常有利。
    第二類主要是以送粉和送絲式，可以成形大型構件，工藝流程短，成本低。
    增材制造的優(yōu)勢體現在四個方面：首先是快速原型認證，縮短研制周期。第二是提升設計自由度，實現結構減重和可靠性。第三是降低復雜結構零件制造成本。第四針對一些損傷零件可以進行修復，降低成本。
    根據各種工藝特點可以對各種技術進行梳理，可以實現制造、修復等需求。現在針對航空產品有一個非常重要的理念，就是全生命周期管理，從產品的設計開始就要考慮產品的功能性、裝配性、制造性、維修性等等方面。而增材制造技術可以提高設計自由度，同時可以指導修復等特點。非常貼切這個產品全生命周期理念，意味著在航空領域有非常大的應用前景。
    第二部分內容，航空航天領域增材制造案例。
    首先在航空發(fā)動機領域，標桿企業(yè)GE公司開始了增材制造技術研究，2000年啟動了增材制造燃油噴嘴項目，06年完成了一些原型認證工作，包括完成了首臺測試發(fā)動機測試等等。通過增材制造技術燃油噴嘴由20個零件減少到1個零件，減重25%，同時相對焊接薄弱環(huán)節(jié)也避免了，提升了壽命。目前已經批量化生產，帶來了非常大的經濟效益，GE公司也做了EBSM渦輪葉片，減重效果非常明顯。最近在微信公眾號里面有一篇非�；鸬奈恼拢翰患訙厝绾蝺赡晖瓿墒�年的工作量，就是介紹了GE公司通過增材制造技術用兩年時間了完成了原本應該十年才完成的設計與研發(fā)工作，通過增材制造技術重新設計以后，把855個零件縮減為12個，并且發(fā)動機重量降低，油耗也減少，功率提高。
    從這個例子可以看出，如果從發(fā)動機全局角度考慮，采用增材制造技術設計和制造，可以提高產品的綜合性能。
    對于RR公司也非常關注這種技術，較早采用這種技術修復葉片及葉盤修復。對MTU公司采用了選區(qū)技術，設計了成形孔儀附件�？諝す�司在飛機上面也進行了大量的增材制造應用，值得注意的是，空殼公司已經完成了鈦合金制造工藝的認證，也表明了這種工藝可靠性非常高。
    在航天領域也有非常多的應用，一些火箭發(fā)動機的噴嘴也進行了增材制造，傳統的工藝很復雜，采用增材制造可以實現一體化成形，并且減少一些裝配關系，同時對以前焊接薄弱環(huán)節(jié)也能夠避免，顯著提高這個零件的內疚性。
    在非金屬方面，增材制造也有一定的優(yōu)勢。比如Bell公司成形了直升機部件，商發(fā)公司成形了氣動試驗件，可以快速響應設計的需求。
    第三部分，介紹一下商發(fā)公司在增材制造方面的應用實踐。（南極熊3D打印網編輯發(fā)布。）
    商發(fā)公司在增材制造團隊成立之初，就形成設計為牽引、工藝為核心人才隊伍，包含了設計、工藝、理化檢驗、試驗等部門的人員。通過這個團隊可以非常有效的從設計新產品迭代驗證。最近中國行發(fā)集團準備建立增材制造工程技術中心，將會承擔增材制造工藝和市場認證兩個方向，屆時人才隊伍將進一步完善和規(guī)模進一步擴大。
    在應用方面，商發(fā)公司增材制造成立之初選擇了燃油噴嘴，為什么選擇燃油噴嘴？通過現有的制造工藝非常難加工，而且加工后可靠性也不高。我們從14年開始進行了一些技術工藝研究，現在初步進入了工程化階段，我們完成了五種結構的優(yōu)化設計，并且進行了打印和驗證，目前基本上完成了零件級的考核。
    在2017年下半年商發(fā)公司進行了多輪次核心機實驗，現在可以達到100%轉速，這也是發(fā)動機噴嘴中里程碑節(jié)點，我們基本摸清了它的性能和相互之間的關系，驗證了一些新技術，特別是商發(fā)公司設計的驗證機現在也可以達到國際一流水平，也為今后進一步優(yōu)化提供了大量的支撐。
    如果從發(fā)動機全局角度進行增材制造的設計和制造，可以實現性能大幅提升，商發(fā)公司也進行了嘗試，以目前市面上比較成熟的10公斤的渦噴發(fā)動機為對象，進行了一些增材制造的設計和制造工作。經過兩輪次迭代，零件數量從25個減少至18個，并且實現全金屬的增材制造。
    在送粉工藝方面，商發(fā)也做了大量工作，主要對TC4合金進行了工藝實驗以及性能測試，基本上可以達到鍛件要求。
    裝配模擬件，商發(fā)公司有大量的裝配任務，但是為了避免粗錯，我們先打印成裝配模擬件，一方面可以提高熟練度，另外也避免裝配過程中的干涉問題。
    經過近4年的發(fā)展，商發(fā)公司在增材制造方面初步實現了一些精度控制，針對不同的幾何結構特征，開發(fā)適宜的成形策略及支撐設計方案等方面進行了優(yōu)化特征。
    原材料以及成形過程控制是保證產品非常重要的兩個必要條件，通過一些數據積累，我們制訂了一些原材料方面的標準，對原材料的粉末特性，比如空心粉等等進行了詳細的要求，也制訂了相應的制件標準，明確了一些工藝窗口，對整個過程要嚴格把控，以保證產品的質量。
    發(fā)表了一些增材方面的論文和專利，比如《一種粉末清理裝置》、《一種光固化增材制造樹脂制件的表面防護工藝》等等，進行了模擬工藝實驗，建立了相關的專利。
    （PPT圖示）已經公認增材制造技術在航空領域有非常大的應用前景，這張圖是GE公司梳理的發(fā)動機里面可以進行增材制造的構件。商發(fā)公司非常重視這種技術，也把這種技術視為發(fā)動機研制晚道超車的一個關鍵技術。非常希望聯合一些力量，來共同完成增材制造工程化的應用，今年商發(fā)公司牽頭聯合了國內15家單位，包含了設計組、主機廠、粉末制造廠以及服務工程商等等，共同申報了2018年科技部增材制造與激光制造重點專項，準備從設計、原材料、成形修復、檢測以及考核全環(huán)節(jié)出發(fā)，并且從零件、組件以及單體、整機角度進行增材制造支撐大涵道比、小涵道比等全流程應用。
    第四部分內容是增材制造面臨的挑戰(zhàn)以及未來的發(fā)展趨勢。
    挑戰(zhàn)方面，當然在設計領域，缺乏基于增材制造工藝的設計準則，增材制造數據不充分，缺少一體化考核方法。成形方面涉及的物理冶金過程認識不足，增材制造工藝過程仿真技術不成熟，復雜結構零件尺寸精度控制工藝不成熟，組織和力學性能均勻性控制不成熟，工藝過程監(jiān)控及質量保證體系不完善。
    在后處理和檢測方面，首先增材制造有一個難題就是結構如何光整，目前相匹配的工藝手段非常有限。再一個是增材制造對于復雜結構的尺寸測量現在方法不完善，另外是標準及數據庫缺乏。
    發(fā)展趨勢，我們認為有四個方面。首先單一材料向復合材料方向發(fā)展，納米材料、碳纖維材料等與現有材料復合，實現材料多功能性。第二是多工藝增材制造成為重要方向。通過與機器人、數控機床、鍛鑄等多工藝技術集成實現復雜結構零件的增材制造。第三是裝備成形尺寸更大、精度更高、更智能�，F在裝備成形尺寸已經步入米級時代；成形精度已達到微米級，未來將向納米級成形精度發(fā)展；傳感器、微處理器、數據存儲等裝置等智能部件融入增材制造裝備，以實現增材制造實施監(jiān)控以及反復降解。第四是融合式創(chuàng)新重塑增材制造新模式，通過結合減材制造、智能制造、云制造等等，實現增材制造智能工廠。