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盧秉恒:3D打印在航空航天領域的機遇和挑戰

放大字體??縮小字體 發布日期:2016-07-29??來源:互聯網??作者:紙引未來
核心提示:
訊:我國機械制造與自動化領域著名科學家,現為中國工程院院士,西安交通大學教授、博士生導師,任快速制造國家工程研究中心主任、國務院機械學科評議組召集人、中國機械工程學會副理事長、中國機械制造工藝協會副理事長、全國高校金屬切削機床學會理事長。




  盧秉恒主要從事快速成形制造、微納制造、生物制造、高速切削機床等方面的研究,先后主持20余項國家重點科技攻關項目。曾獲國家科技進步二等獎、國家技術發明二等獎、“做出突出貢獻的中國博士學位獲得者”稱號、全國五一勞動獎章等獎項。



顛覆性技術



  “3D打印是一個嶄新的技術,還有非常大的發展空間。”盧秉恒院士介紹,增材制造是近30年才發展起來的,而我們比較熟悉的鑄、鍛、焊已經有3000年的歷史了,切割加工也具有300多年的歷史。根據2013年麥肯錫研究報告預測,在今后影響人們生產組織模式和社會生活的12項重大顛覆性技術中,3D打印名列第9,排在新材料和頁巖氣之前,到2030年,3D打印的效益將達到0.6~1.2萬億美元。這一預測后來又被提前,預計到2025年3D打印可能產生高達5500億美元的效益。美國“重振制造業計劃”在國會提出的口號就是要“在美國發明、在美國制造”,他們提出了一個指標:用一半的周期、一半的成本來完成產品的開發。為了實現這一目標,專家們提出3D打印是促進這一指標的有效手段。盧秉恒認為,3D打印正處于技術發展的井噴期,近兩三年國內有很多大的創新,使非金屬制造的效率提高了幾十倍,金屬制造的效率也提高了近十倍;同時,3D打印也正處于一個產業發展的起步期,很多企業都在加盟這個領域,普遍認為3D打印是一個很值得挖掘的一個金礦。


  在盧秉恒看來,3D打印是產品開發的利器,它在做首件上是非常有利的。“過去,我們做試制的時候,最難的就是做樣件,一架新飛機的研發周期需要10~20年。有了3D打印,我們就可以免除做首件所需要的專用工卡具、刀具、模具等等,因此大大簡化了工藝流程,可以快速做出首件來進行裝配、試驗、驗證。”盧秉恒舉例,像飛機典型的結構件大部分是框、梁、架、桁,這些東西的長度和面積都很大,但是實際上所需材料并不多,設計要求用最少的材料來實現最高的強度和剛度。3D打印是上述結構非常理想的一種指導方法,它可以克服結構件占有空間大、形狀復雜,采取切割加工時往往95%~97%的材料都會被切割掉,而且在切割加工中變形非常大,且加工所用機床的制造難度非常大等問題。“所以從這個角度上來說,3D打印在航空航天領域是一項顛覆性技術?!北R秉恒認為。航空航天所面對的是難加工的材料,它的復雜結構、加工變形控制、研發周期和成本等對傳統制造提出了一個非常大的難題,而3D打印可以用全新的方式去對付這些難題。例如,鈦合金的切削加工是很難的,但對于3D打印來說,看問題的角度變了,反而成了最容易的成形方法。3D打印可以使材料的利用率從原來的3%、5%提高到80%、90%。另外,3D打印完全可以實現個性化,非常適合航空航天多品種、小批量、大型復雜結構的制造。


   現在已經有很多很好的案例,盧秉恒介紹道:“弗吉尼亞大學兩位學生通過3D打印技術制造出一架模型飛機并成功試飛。只花了4個月的時間,成本也只是2000美元。而就在5年前,制造這樣的塑料渦扇發動機的成本約為25萬美元,需要花上2年的時間。” 


美好但不完美


  “3D打印這么美好,但是我們還需要進行很多深入的研究?!北R秉恒直言。例如,用于航空領域,需要結構件具備很好的疲勞性能,這個也是業界很多人提出置疑的問題。盡管從理論上分析,用3D打印可以獲得很好的組織結構。比如設想,飛機發動機的葉片之所以做得好,就是因為它的溫度梯度非常高,因此它的晶粒很細。而與發動機葉片的溫度梯度(每厘米幾十度)相比較,3D打印的溫度梯度在每毫米上千度,在這么高溫度梯度下,3D打印產生的晶??隙ㄊ呛芗毜?。當然也有人不放心,認為3D打印是一點一點打印出來的,哪一點有問題它就形成了一個缺陷。盧秉恒肯定這種擔心是需要的,但他認為:“實際上在宏觀制造中,對微觀雜質的混入是不可避免的,正如鑄造中夾雜、氣孔等缺陷,即使經過鍛造,也只是改變了鑄造后的形狀,氣孔體積縮小一點、形狀變化一點,但仍然存在。而3D打印是在一個點上形成一個瞬態的高溫、一個瞬態的劇烈冷卻,允許產生缺陷的體積會非常非常小,所以應該說是最可靠的?!碑斎?,盧秉恒也表示,要達到這種可靠性必須每一點上的工藝條件都控制得非常好。但實際上,在3D打印中,激光掃描也是有慣性質量的,由于光斑能量分布不均,因此會導致溫度場不均勻,可能會產生內應力?!斑@不是傳統凝固學所能解決的問題,我們需要深度研究在3D打印情況下,逐點瞬態的熱力歷程及其強非平衡態機理?!北R秉恒坦言,“我們很多的短板還是在基礎研究上,如果這些難點不克服,我們對3D打印的航空件能否接受疲勞試驗還是存有疑慮的?!?

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