航天科工集團(tuán)第三研究院金亮：3D打印輕量化

航天科工集團(tuán)第三研究院第三總體設(shè)計(jì)部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與動(dòng)力研究室主任、型號(hào)總師助理金亮進(jìn)行主題演講。

    金亮：由于時(shí)間緊張，我簡(jiǎn)單介紹一下。
    想跟大家分享五部分，因?yàn)樵谧�很多專家都是制造方面的專家，因�(yàn)槲覀儚氖碌闹饕�是設(shè)計(jì)工作，所以我會(huì)把相關(guān)的增材制造應(yīng)用情況，包括我們覺(jué)得對(duì)輕量化結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，包括優(yōu)化的能力和軟件，以及輕量化結(jié)構(gòu)對(duì)于增材制造的需求，以及從設(shè)計(jì)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(gè)制造中是一個(gè)什么情況？我自己理解，現(xiàn)在的增材制造有點(diǎn)像最開(kāi)始使用的復(fù)合材料情況，最開(kāi)始使用復(fù)合材料想法是所謂的等待設(shè)計(jì)，就是原來(lái)的零件或者原來(lái)的結(jié)構(gòu)是什么樣的，我拿復(fù)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(fù)合材料的方式，相信很多單位都是從最初的整體設(shè)計(jì)開(kāi)始，一直到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是全流程的去開(kāi)展設(shè)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(shì)，而不僅僅是讓它去適應(yīng)我現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)，這樣才能發(fā)揮出新材料、新工藝的優(yōu)勢(shì)。比如原來(lái)有這種情況，我換了復(fù)合材料，反而沒(méi)有達(dá)到減重的效果，就是因?yàn)闆](méi)有充分發(fā)揮新材料、新工藝的優(yōu)勢(shì)。所以后面的增材制造也有這個(gè)問(wèn)題，就是在設(shè)計(jì)端怎么從最初的總體階段就要把新工藝應(yīng)用上。
    第一部分，先進(jìn)輕量化結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。我覺(jué)得這四點(diǎn)值得大家交流：一個(gè)是研制裝備周期顯著縮短，現(xiàn)在明顯感覺(jué)到，所有主機(jī)所都有這種感覺(jué)，原來(lái)比如要五年、七年研制完的一個(gè)裝備，尤其比較復(fù)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(lái)當(dāng)年設(shè)計(jì)、當(dāng)年制造、當(dāng)年實(shí)驗(yàn)。第二個(gè)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(gè)一體化不僅僅是結(jié)構(gòu)層面的一體化。另外是功能和結(jié)構(gòu)一體化，結(jié)構(gòu)承載的同時(shí)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(gè)是重復(fù)使用，重復(fù)使用工作很多單位也在做，包括剛才GE專家也提了，實(shí)際上航空上已經(jīng)用了，為什么我還要提重復(fù)使用？實(shí)際上針對(duì)某些材料或者某幾種材料的環(huán)境下做了有限的重復(fù)使用工作，但是有些材料，尤其是從我們角度來(lái)說(shuō)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(fù)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(shuō)的特點(diǎn)細(xì)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(gòu)復(fù)雜多樣，構(gòu)型也很多，一體化程度高。第三個(gè)是質(zhì)量需求，我們一般評(píng)價(jià)現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)，像飛機(jī)也好、結(jié)構(gòu)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(jìn)。剛才說(shuō)了，研制周期的縮短，一方面是因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)的關(guān)系，另外是需求的增加，需要我們?cè)诤芏虝r(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)、生產(chǎn)，同時(shí)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(jìn)，我的設(shè)計(jì)周期縮短之后，要求產(chǎn)品的迭代過(guò)程特別快，這樣就出現(xiàn)了小批量的需求。原來(lái)可能設(shè)計(jì)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(shí)間內(nèi)你沒(méi)有完全做完優(yōu)化可能就要走一輪迭代，這樣會(huì)出現(xiàn)不斷在改進(jìn)、優(yōu)化，原來(lái)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(diǎn)的情況下我們面臨的挑戰(zhàn)。一個(gè)是剛才說(shuō)的結(jié)構(gòu)重，質(zhì)量的問(wèn)題。另外是低成本的問(wèn)題。第三是制造的問(wèn)題，性能和精度。第四是周期長(zhǎng)，剛才說(shuō)了，從設(shè)計(jì)到制造要求周期縮短的非常厲害，可能變成原來(lái)的20%或者10%。
    第二部分，增材制造在院里的應(yīng)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(guò)程中有，重復(fù)的我就不講了。
    我們做了一些工作，包括結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重。第二是對(duì)于復(fù)雜構(gòu)件開(kāi)展了近凈成形的研究。第三是快速響應(yīng)，適合于小批量柔性生產(chǎn)。第四產(chǎn)品力學(xué)性能及產(chǎn)品一致性優(yōu)良，大多金屬構(gòu)件性能接近鍛件力學(xué)性能。
    現(xiàn)在總的來(lái)說(shuō)，已經(jīng)在幾個(gè)重點(diǎn)型號(hào)中應(yīng)用了，好多硬件已經(jīng)在應(yīng)用了。提升了性能，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的研制，縮短了周期。但是客觀來(lái)講，3D打印的構(gòu)件雖然相比原來(lái)有比較大的增長(zhǎng)，但是在整個(gè)結(jié)構(gòu)占比來(lái)說(shuō)還是小量。
    第一部分，像接頭結(jié)構(gòu)、舵頭結(jié)構(gòu)剛才楊總講了，主要針對(duì)結(jié)構(gòu)做減重，包括針對(duì)TC4材料、TC9的材料等等。另外，通過(guò)一體化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)和設(shè)備的集成化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了輕量化高效制備。也就是我們實(shí)現(xiàn)了承載結(jié)構(gòu)和設(shè)備以及舵機(jī)一體化設(shè)計(jì)、一體化生產(chǎn)、一體化交付。一個(gè)是艙段和舵機(jī)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(guò)增材制造突破了復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)等。再一個(gè)是通過(guò)增材制造技術(shù)，突破了對(duì)于大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整體成形制備問(wèn)題。現(xiàn)在我們也在做更大尺寸的，后面會(huì)做到7米量級(jí)大尺寸的構(gòu)件。最后一個(gè)是對(duì)于實(shí)驗(yàn)件和模擬件快速高效制備，現(xiàn)在很多主機(jī)所都在做這個(gè)工作。
    第三部分是對(duì)于優(yōu)化技術(shù)的需求。主要有幾方面：
    一個(gè)是質(zhì)量占比，實(shí)現(xiàn)輕量化結(jié)構(gòu)越來(lái)越重要。另外是傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)很難避免耦合結(jié)構(gòu)。
    對(duì)于設(shè)計(jì)方法主要有幾方面的需求，一個(gè)是面向多場(chǎng)耦合結(jié)構(gòu)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(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，包括結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)快速評(píng)價(jià)方法與工具。實(shí)際上做設(shè)計(jì)優(yōu)化的軟件已經(jīng)很多了，但是把3D打印放進(jìn)去之后，涉及到工藝方面的做的相對(duì)少一些。針對(duì)這些問(wèn)題形成一個(gè)全流程快速評(píng)價(jià)方法的工具，我覺(jué)得還是很有必要的。
    第二個(gè)是對(duì)于新的結(jié)構(gòu)構(gòu)型的設(shè)計(jì)，之前很多專家都提到了增材制造的優(yōu)勢(shì)，可以針對(duì)結(jié)構(gòu)，尤其是新的構(gòu)型，比如像點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。但是我們用的時(shí)候也有很多問(wèn)題，一個(gè)問(wèn)題是它的性能表征與評(píng)價(jià)現(xiàn)在是空白，內(nèi)部微觀和宏觀相結(jié)合的結(jié)構(gòu)到底怎么去表征和評(píng)價(jià)，現(xiàn)在沒(méi)有特別工程化的解決方法。第二個(gè)是清質(zhì)結(jié)構(gòu)功能一體化的設(shè)計(jì)方法，結(jié)構(gòu)和功能結(jié)合起來(lái)以后，結(jié)構(gòu)有評(píng)價(jià)方法，功能有評(píng)價(jià)，這兩個(gè)結(jié)合起來(lái)怎么做？現(xiàn)在沒(méi)有特別好的辦法。第三個(gè)是結(jié)構(gòu)功能梯度優(yōu)化，涉及到不同結(jié)構(gòu)，涉及到有梯度，在這種情況下我們?cè)趺慈��?yōu)化設(shè)計(jì)。
    后面是基于增材結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)需求，有三方面：一個(gè)是性能與功能評(píng)價(jià)，第二個(gè)是基于增材制造工藝約束，因?yàn)楹芏嗳苏f(shuō)增材是所想即所得，想什么東西就能制造出來(lái)，實(shí)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(gè)約束放進(jìn)去怎么進(jìn)行設(shè)計(jì)？另外是針對(duì)增材制造的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一些規(guī)范和指南，給設(shè)計(jì)師去用，實(shí)際上大部分的設(shè)計(jì)師并不太了解這個(gè)情況，起碼我們的設(shè)計(jì)師并不是太了解。
    第四是對(duì)于增材制造技術(shù)的需求。主要的需求，一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)、新材料的需求和低成本的需求。
    （PPT圖示）這是我們做的對(duì)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(gè)人理解，鋪粉工藝大型的構(gòu)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(gòu)，結(jié)構(gòu)和功能相結(jié)合的這類結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗鼘?duì)構(gòu)件要求更多。所以這類結(jié)構(gòu)適合在什么地方呢？就是在發(fā)動(dòng)機(jī)上面，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于結(jié)構(gòu)和功能需求是最急迫、最集中，這種需求很多。為什么這么說(shuō)呢？比如剛才說(shuō)的400、500、800的設(shè)備，比如鈦合金一缸粉就要幾百萬(wàn)，我現(xiàn)在想不出來(lái)什么樣的設(shè)計(jì)需要這個(gè)東西，我現(xiàn)在在腦子里沒(méi)有需要這么大設(shè)備去干的件，這個(gè)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(duì)鍛件的之批它有很大的優(yōu)勢(shì)，包括成本，這不是針對(duì)一類產(chǎn)品或者一類工藝的需求。
    再講幾個(gè)我們遇到的比較典型的件。一個(gè)是帶復(fù)雜冷卻槽道的大型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，這個(gè)比較適合用選型優(yōu)化，但它的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較大。這種結(jié)構(gòu)和功能是一體化的結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)會(huì)大量用在發(fā)動(dòng)機(jī)，包括防熱結(jié)構(gòu)，都會(huì)用到。第二，大型進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)，對(duì)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(gòu)對(duì)于近凈的需求。第三，大型框架結(jié)構(gòu)，我們還是把它拆成一部分一部分的，比如若干個(gè)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(lái)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(lái)的件更適合采用這種工藝，能夠把連接件的重量省下來(lái)。第四，大型輕量化結(jié)構(gòu)，這種怎么來(lái)做也是一個(gè)難題。第五，復(fù)雜的翼舵結(jié)構(gòu)，里面涉及到點(diǎn)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(jī)制造，包括小型構(gòu)件，以及快速成形實(shí)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(gòu)件缺乏的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，我們現(xiàn)在可以參考鍛件的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際上有些東西還是沒(méi)法兒用的，現(xiàn)在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，包括原材料的標(biāo)準(zhǔn)、粉體的標(biāo)準(zhǔn)、制件流程的標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，這當(dāng)中當(dāng)然不是純的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，是我們從設(shè)計(jì)一直到工藝這個(gè)過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)楝F(xiàn)在這個(gè)方面基本上都是空白，有一些比如像原材料、驗(yàn)收，還是在各個(gè)廠家內(nèi)部，相互之間并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。所以這點(diǎn)也對(duì)設(shè)計(jì)端造成了一些困擾，就是我到底怎么評(píng)價(jià)哪家做出來(lái)的東西是不是滿足我的要求？滿足要求到什么程度？實(shí)際上大家的標(biāo)準(zhǔn)都不一樣，每家拿出來(lái)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?yàn)楝F(xiàn)在速度提高了以后，比如像空間飛行，它對(duì)于陶瓷機(jī)復(fù)合材料還是有很高需求的。當(dāng)然現(xiàn)在國(guó)內(nèi)和國(guó)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(méi)有達(dá)到工程化應(yīng)用的程度。
    剛才很多專家說(shuō)了關(guān)于尼龍材料后面怎么用，實(shí)際上我們也考慮過(guò)，尼龍材料的成本進(jìn)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(duì)于我們要求不高的大型結(jié)構(gòu)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(gòu)件。
    （PPT圖示）這是關(guān)于低成本的需求，我列出來(lái)了一些我了解的粉材的成本，不一定特別準(zhǔn)確，但差不多就是這個(gè)量級(jí)的。因?yàn)殇伔酆退头蹖?duì)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(duì)于制件的成本影響還是比較大的。當(dāng)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(diǎn)。
    最后講一下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝一體化的需求。原來(lái)整體過(guò)程是從設(shè)計(jì)到定型之間要走一條很長(zhǎng)的路，中間要進(jìn)行很多改進(jìn)設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)。我們現(xiàn)在要通過(guò)新的工藝，實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)端一下到制造端，可以降低設(shè)計(jì)制造周期和成本，提高協(xié)同效率。
    最后還是希望設(shè)計(jì)和工藝、制造互相促進(jìn)，共同發(fā)展，相互理解，實(shí)現(xiàn)高效發(fā)展的目標(biāo)。
    謝謝大家。