航天科工集團第三研究院金亮：3D打印輕量化

航天科工集團第三研究院第三總體設計部結(jié)構強度與動力研究室主任、型號總師助理金亮進行主題演講。

    金亮：由于時間緊張，我簡單介紹一下。
    想跟大家分享五部分，因為在座很多專家都是制造方面的專家，因為我們從事的主要是設計工作，所以我會把相關的增材制造應用情況，包括我們覺得對輕量化結(jié)構的優(yōu)化，包括優(yōu)化的能力和軟件，以及輕量化結(jié)構對于增材制造的需求，以及從設計到制造一體化的想法，把這些方面向大家溝通一下。
    剛才很多專家都提到了，增材制造到底在現(xiàn)在整個制造中是一個什么情況？我自己理解，現(xiàn)在的增材制造有點像最開始使用的復合材料情況，最開始使用復合材料想法是所謂的等待設計，就是原來的零件或者原來的結(jié)構是什么樣的，我拿復合材料直接把它替代了，這是一種方式。但現(xiàn)在我們使用復合材料的方式，相信很多單位都是從最初的整體設計開始，一直到結(jié)構設計，是全流程的去開展設備，這樣有什么好處呢？你能最大限度的使用新材料或者新工藝的優(yōu)勢，而不僅僅是讓它去適應我現(xiàn)有的結(jié)構，這樣才能發(fā)揮出新材料、新工藝的優(yōu)勢。比如原來有這種情況，我換了復合材料，反而沒有達到減重的效果，就是因為沒有充分發(fā)揮新材料、新工藝的優(yōu)勢。所以后面的增材制造也有這個問題，就是在設計端怎么從最初的總體階段就要把新工藝應用上。
    第一部分，先進輕量化結(jié)構的特點。我覺得這四點值得大家交流：一個是研制裝備周期顯著縮短，現(xiàn)在明顯感覺到，所有主機所都有這種感覺，原來比如要五年、七年研制完的一個裝備，尤其比較復雜的裝備，現(xiàn)在可能在兩年內(nèi)就要完成，甚至有的提出來當年設計、當年制造、當年實驗。第二個是一體化程度日益提高，很多分散性的或者是零散的東西，后面要一體化，這個一體化不僅僅是結(jié)構層面的一體化。另外是功能和結(jié)構一體化，結(jié)構承載的同時要完成其他的功能，防熱功能、流道功能等等。第三是多功能化需求增加。最后一個是重復使用，重復使用工作很多單位也在做，包括剛才GE專家也提了，實際上航空上已經(jīng)用了，為什么我還要提重復使用？實際上針對某些材料或者某幾種材料的環(huán)境下做了有限的重復使用工作，但是有些材料，尤其是從我們角度來說要大量使用的，比如像空間飛行需要的更廣泛的一些材料，重復使用工作做的非常少。（南極熊3D打印網(wǎng)編輯發(fā)布。）
    前面說的特點細化一下有這么多：第一是材料種類翻多，比如鋁合金、鎂合金、高溫合金等等，另外是結(jié)構復雜多樣，構型也很多，一體化程度高。第三個是質(zhì)量需求，我們一般評價現(xiàn)在的結(jié)構，像飛機也好、結(jié)構也好，都用質(zhì)量系數(shù)。另外是小批量、多品種、持續(xù)優(yōu)化改進。剛才說了，研制周期的縮短，一方面是因為競爭的關系，另外是需求的增加，需要我們在很短時間內(nèi)完成設計、生產(chǎn)，同時這種需求增加之后，出現(xiàn)了很多小批量的需求，不斷優(yōu)化改進，我的設計周期縮短之后，要求產(chǎn)品的迭代過程特別快，這樣就出現(xiàn)了小批量的需求。原來可能設計周期是三年、四年，全生命周期可能十年，現(xiàn)在縮短了以后，很短時間內(nèi)你沒有完全做完優(yōu)化可能就要走一輪迭代，這樣會出現(xiàn)不斷在改進、優(yōu)化，原來大批量生產(chǎn)切割成很小的一段，后面就出現(xiàn)了這種情況，就是很多原有的工藝可能不太適合小批量、多品種的生產(chǎn)。
    在這些特點的情況下我們面臨的挑戰(zhàn)。一個是剛才說的結(jié)構重，質(zhì)量的問題。另外是低成本的問題。第三是制造的問題，性能和精度。第四是周期長，剛才說了，從設計到制造要求周期縮短的非常厲害，可能變成原來的20%或者10%。
    第二部分，增材制造在院里的應用情況。這里面很多圖片被刪掉了，但是有些圖片在楊總演講過程中有，重復的我就不講了。
    我們做了一些工作，包括結(jié)合拓撲優(yōu)化，實現(xiàn)結(jié)構減重。第二是對于復雜構件開展了近凈成形的研究。第三是快速響應，適合于小批量柔性生產(chǎn)。第四產(chǎn)品力學性能及產(chǎn)品一致性優(yōu)良，大多金屬構件性能接近鍛件力學性能。
    現(xiàn)在總的來說，已經(jīng)在幾個重點型號中應用了，好多硬件已經(jīng)在應用了。提升了性能，實現(xiàn)了復雜結(jié)構的研制，縮短了周期。但是客觀來講，3D打印的構件雖然相比原來有比較大的增長，但是在整個結(jié)構占比來說還是小量。
    第一部分，像接頭結(jié)構、舵頭結(jié)構剛才楊總講了，主要針對結(jié)構做減重，包括針對TC4材料、TC9的材料等等。另外，通過一體化設計實現(xiàn)設備結(jié)構和設備的集成化設計，實現(xiàn)了輕量化高效制備。也就是我們實現(xiàn)了承載結(jié)構和設備以及舵機一體化設計、一體化生產(chǎn)、一體化交付。一個是艙段和舵機的集成，另外是翼面，這樣一方面減小了零件的數(shù)量，另外是減小了空間。另外，通過增材制造突破了復雜結(jié)構件的制備，縮短了制備周期。采用了增材制造快速制造脫落插座、流罩設計等。再一個是通過增材制造技術，突破了對于大尺寸復雜結(jié)構的整體成形制備問題。現(xiàn)在我們也在做更大尺寸的，后面會做到7米量級大尺寸的構件。最后一個是對于實驗件和模擬件快速高效制備，現(xiàn)在很多主機所都在做這個工作。
    第三部分是對于優(yōu)化技術的需求。主要有幾方面：
    一個是質(zhì)量占比，實現(xiàn)輕量化結(jié)構越來越重要。另外是傳統(tǒng)的設計很難避免耦合結(jié)構。
    對于設計方法主要有幾方面的需求，一個是面向多場耦合結(jié)構的優(yōu)化，比如單一的環(huán)境條件、單一的載荷或者多種載荷。另外是多學科綜合優(yōu)化設計技術，包括結(jié)構拓撲優(yōu)化設計快速評價方法與工具。實際上做設計優(yōu)化的軟件已經(jīng)很多了，但是把3D打印放進去之后，涉及到工藝方面的做的相對少一些。針對這些問題形成一個全流程快速評價方法的工具，我覺得還是很有必要的。
    第二個是對于新的結(jié)構構型的設計，之前很多專家都提到了增材制造的優(yōu)勢，可以針對結(jié)構，尤其是新的構型，比如像點陣結(jié)構。但是我們用的時候也有很多問題，一個問題是它的性能表征與評價現(xiàn)在是空白，內(nèi)部微觀和宏觀相結(jié)合的結(jié)構到底怎么去表征和評價，現(xiàn)在沒有特別工程化的解決方法。第二個是清質(zhì)結(jié)構功能一體化的設計方法，結(jié)構和功能結(jié)合起來以后，結(jié)構有評價方法，功能有評價，這兩個結(jié)合起來怎么做？現(xiàn)在沒有特別好的辦法。第三個是結(jié)構功能梯度優(yōu)化，涉及到不同結(jié)構，涉及到有梯度，在這種情況下我們怎么去優(yōu)化設計。
    后面是基于增材結(jié)構優(yōu)化設計技術需求，有三方面：一個是性能與功能評價，第二個是基于增材制造工藝約束，因為很多人說增材是所想即所得，想什么東西就能制造出來，實際上并不是這樣的。所以它的制造還是有很多約束的，把這個約束放進去怎么進行設計？另外是針對增材制造的結(jié)構優(yōu)化設計的一些規(guī)范和指南，給設計師去用，實際上大部分的設計師并不太了解這個情況，起碼我們的設計師并不是太了解。
    第四是對于增材制造技術的需求。主要的需求，一個是成形工藝需求，這里頭包括尺寸、精度、性能、速度，以及工藝標準、新材料的需求和低成本的需求。
    （PPT圖示）這是我們做的對比，現(xiàn)在比較普遍用的鋪粉和送粉工藝，包括尺寸，我這里掌握的不一定特別全，就是典型的尺寸、精度、性能、速度。我個人理解，鋪粉工藝大型的構件后面需求有，但并不多，所以鋪粉工藝更多是功能性結(jié)構，結(jié)構和功能相結(jié)合的這類結(jié)構，因為它對構件要求更多。所以這類結(jié)構適合在什么地方呢？就是在發(fā)動機上面，因為發(fā)動機對于結(jié)構和功能需求是最急迫、最集中，這種需求很多。為什么這么說呢？比如剛才說的400、500、800的設備，比如鈦合金一缸粉就要幾百萬，我現(xiàn)在想不出來什么樣的設計需要這個東西，我現(xiàn)在在腦子里沒有需要這么大設備去干的件，這個成本太高了。另外是送粉，送粉這類工藝主要是制批，包括針對鍛件的之批它有很大的優(yōu)勢，包括成本，這不是針對一類產(chǎn)品或者一類工藝的需求。
    再講幾個我們遇到的比較典型的件。一個是帶復雜冷卻槽道的大型輕質(zhì)結(jié)構，這個比較適合用選型優(yōu)化，但它的結(jié)構相對比較大。這種結(jié)構和功能是一體化的結(jié)構，這類結(jié)構會大量用在發(fā)動機，包括防熱結(jié)構，都會用到。第二，大型進氣道結(jié)構，對內(nèi)表面難加工且有型面及粗糙度要求的大尺寸異型結(jié)構對于近凈的需求。第三，大型框架結(jié)構，我們還是把它拆成一部分一部分的，比如若干個框和梁，主要的工藝是采用鍛造之后鉚接的工藝，后面用成塊的3D打印，最后再利用焊接。3D打印出來的組織之后，焊接界面組織是優(yōu)于鍛造的組織去焊接的，3D打印出來的件更適合采用這種工藝，能夠把連接件的重量省下來。第四，大型輕量化結(jié)構，這種怎么來做也是一個難題。第五，復雜的翼舵結(jié)構，里面涉及到點陣，還涉及到一種材料，比如前沿是耐高溫的材料，后面是輕量化的材料，表面涂覆等等。原型機制造，包括小型構件，以及快速成形實現(xiàn)前期的仿真，包括一些模型。
    剛才講的是一些典型的件，后面涉及到我們做3D打印構件缺乏的相關標準，我們現(xiàn)在可以參考鍛件的標準，實際上有些東西還是沒法兒用的，現(xiàn)在這個標準，包括原材料的標準、粉體的標準、制件流程的標準、產(chǎn)品驗收標準，這當中當然不是純的國家標準，是我們從設計一直到工藝這個過程的標準。因為現(xiàn)在這個方面基本上都是空白，有一些比如像原材料、驗收，還是在各個廠家內(nèi)部，相互之間并沒有統(tǒng)一的標準。所以這點也對設計端造成了一些困擾，就是我到底怎么評價哪家做出來的東西是不是滿足我的要求？滿足要求到什么程度？實際上大家的標準都不一樣，每家拿出來的東西我還得再重新做一遍。
    新材料的需求，包括陶瓷的需求，因為現(xiàn)在速度提高了以后，比如像空間飛行，它對于陶瓷機復合材料還是有很高需求的。當然現(xiàn)在國內(nèi)和國外做了很多這方面的工作，但是做的工作都偏小，現(xiàn)在還沒有達到工程化應用的程度。
    剛才很多專家說了關于尼龍材料后面怎么用，實際上我們也考慮過，尼龍材料的成本進一步降低，是可以替代很多亞聲速的材料，雖然它的模量低一些，但是對于我們要求不高的大型結(jié)構材料可以做替代。還有一種是高溫合金的需求，之前我們也做了高溫合金的構件。
    （PPT圖示）這是關于低成本的需求，我列出來了一些我了解的粉材的成本，不一定特別準確，但差不多就是這個量級的。因為鋪粉和送粉對粉的要求不一樣，成本也不一樣，但是它最終的結(jié)果是一樣的，粉的成本對于制件的成本影響還是比較大的。當然我們后面怎么去降材料的成本，是將制件成本很重要的一點。
    最后講一下結(jié)構設計工藝一體化的需求。原來整體過程是從設計到定型之間要走一條很長的路，中間要進行很多改進設計、優(yōu)化設計。我們現(xiàn)在要通過新的工藝，實現(xiàn)從設計端一下到制造端的快速發(fā)展，我們現(xiàn)在也在做這方面的工作，從設計端一下到制造端，可以降低設計制造周期和成本，提高協(xié)同效率。
    最后還是希望設計和工藝、制造互相促進，共同發(fā)展，相互理解，實現(xiàn)高效發(fā)展的目標。
    謝謝大家。