金屬三維打印機(jī)在航空航天領(lǐng)域的機(jī)遇（三維打印）

我國(guó)機(jī)械制造與自動(dòng)化領(lǐng)域著名科學(xué)家，現(xiàn)為中國(guó)工程院院士，西安交通大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，任快速制造國(guó)家工程研究中心主任、國(guó)務(wù)院機(jī)械學(xué)科評(píng)議組召集人、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、中國(guó)機(jī)械制造工藝協(xié)會(huì)副理事長(zhǎng)、全國(guó)高校金屬切削機(jī)床學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)。

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(jī)床等方面的研究，先后主持20余項(xiàng)國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目。曾獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)、“做出突出貢獻(xiàn)的中國(guó)博士學(xué)位獲得者”稱號(hào)、全國(guó)五一勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)碌泉?jiǎng)項(xiàng)。

三維打印是顛覆性技術(shù)

三維打印是一個(gè)嶄新的技術(shù)，還有非常大的發(fā)展空間。盧秉恒院士介紹，增材制造是近30年才發(fā)展起來(lái)的，而我們比較熟悉的鑄、鍛、焊已經(jīng)有3000年的歷史了，切割加工也具有300多年的歷史。根據(jù)2013年麥肯錫研究報(bào)告預(yù)測(cè)，在今后影響人們生產(chǎn)組織模式和社會(huì)生活的12項(xiàng)重大顛覆性技術(shù)中，三維打印名列第9，排在新材料和頁(yè)巖氣之前，到2030年三維打印的效益將達(dá)到0.6～1.2萬(wàn)億美元。這一預(yù)測(cè)后來(lái)又被提前，預(yù)計(jì)到2025年3三維打印可能產(chǎn)生高達(dá)5500億美元的效益。美國(guó)重振制造業(yè)計(jì)劃在國(guó)會(huì)提出的口號(hào)就是要在美國(guó)發(fā)明、在美國(guó)制造，他們提出了一個(gè)指標(biāo)：用一半的周期、一半的成本來(lái)完成產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，專家們提出三維打印是促進(jìn)這一指標(biāo)的有效手段。盧秉恒認(rèn)為三維打印正處于技術(shù)發(fā)展的井噴期，近兩三年國(guó)內(nèi)有很多大的創(chuàng)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(shí)三維打印也正處于一個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的起步期，很多企業(yè)都在加盟這個(gè)領(lǐng)域，普遍認(rèn)為三維打印是一個(gè)很值得挖掘的一個(gè)金礦。

在盧秉恒看來(lái)三維打印是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的利器，它在做首件上是非常有利的。過(guò)去，我們做試制的時(shí)候，最難的就是做樣件，一架新飛機(jī)的研發(fā)周期需要10～20年。有了三維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(jiǎn)化了工藝流程，可以快速做出首件來(lái)進(jìn)行裝配、試驗(yàn)、驗(yàn)證。盧秉恒舉例像飛機(jī)典型的結(jié)構(gòu)件大部分是框、梁、架、桁，這些東西的長(zhǎng)度和面積都很大，但是實(shí)際上所需材料并不多，設(shè)計(jì)要求用最少的材料來(lái)實(shí)現(xiàn)最高的強(qiáng)度和剛度。三維打印是上述結(jié)構(gòu)非常理想的一種指導(dǎo)方法，它可以克服結(jié)構(gòu)件占有空間大、形狀復(fù)雜，采取切割加工時(shí)往往95%～97%的材料都會(huì)被切割掉，而且在切割加工中變形非常大，且加工所用機(jī)床的制造難度非常大等問(wèn)題。所以從這個(gè)角度上來(lái)說(shuō)，三維打印在航空航天領(lǐng)域是一項(xiàng)顛覆性技術(shù)。盧秉恒認(rèn)為航空航天所面對(duì)的是難加工的材料，它的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、加工變形控制、研發(fā)周期和成本等對(duì)傳統(tǒng)制造提出了一個(gè)非常大的難題，而三維打印可以用全新的方式去對(duì)付這些難題。例如鈦合金的切削加工是很難的，但對(duì)于三維打印來(lái)說(shuō)，看問(wèn)題的角度變了，反而成了最容易的成形方法。三維打印可以使材料的利用率從原來(lái)的3%、5%提高到80%、90%。另外三維打印完全可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化，非常適合航空航天多品種、小批量、大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造。

現(xiàn)在已經(jīng)有很多很好的案例，盧秉恒介紹道：弗吉尼亞大學(xué)兩位學(xué)生通過(guò)三維打印技術(shù)制造出一架模型飛機(jī)并成功試飛。只花了4個(gè)月的時(shí)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(fā)動(dòng)機(jī)的成本約為25萬(wàn)美元，需要花上2年的時(shí)間。

三維打印美好但不完美

三維打印這么美好，但是我們還需要進(jìn)行很多深入的研究。盧秉恒直言。例如用于航空領(lǐng)域需要結(jié)構(gòu)件具備很好的疲勞性能，這個(gè)也是業(yè)界很多人提出置疑的問(wèn)題。盡管從理論上分析用三維打印可以獲得很好的組織結(jié)構(gòu)。比如設(shè)想飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片之所以做得好，就是因?yàn)樗臏囟忍荻确浅８撸虼怂木Я：芗?xì)。而與發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的溫度梯度（每厘米幾十度）相比較三維打印的溫度梯度在每毫米上千度，在這么高溫度梯度下三維打印產(chǎn)生的晶粒肯定是很細(xì)的。當(dāng)然也有人不放心認(rèn)為三維打印是一點(diǎn)一點(diǎn)打印出來(lái)的，哪一點(diǎn)有問(wèn)題它就形成了一個(gè)缺陷。盧秉恒肯定這種擔(dān)心是需要的，但他認(rèn)為：實(shí)際上在宏觀制造中，對(duì)微觀雜質(zhì)的混入是不可避免的，正如鑄造中夾雜、氣孔等缺陷，即使經(jīng)過(guò)鍛造，也只是改變了鑄造后的形狀，氣孔體積縮小一點(diǎn)、形狀變化一點(diǎn)，但仍然存在。而三維打印是在一個(gè)點(diǎn)上形成一個(gè)瞬態(tài)的高溫、一個(gè)瞬態(tài)的劇烈冷卻，允許產(chǎn)生缺陷的體積會(huì)非常非常小，所以應(yīng)該說(shuō)是最可靠的。當(dāng)然盧秉恒也表示要達(dá)到這種可靠性必須每一點(diǎn)上的工藝條件都控制得非常好。但實(shí)際上在三維打印中激光掃描也是有慣性質(zhì)量的，由于光斑能量分布不均，因此會(huì)導(dǎo)致溫度場(chǎng)不均勻，可能會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。這不是傳統(tǒng)凝固學(xué)所能解決的問(wèn)題，我們需要深度研究在三維打印情況下，逐點(diǎn)瞬態(tài)的熱力歷程及其強(qiáng)非平衡態(tài)機(jī)理。盧秉恒坦言我們很多的短板還是在基礎(chǔ)研究上，如果這些難點(diǎn)不克服，我們對(duì)三維打印的航空件能否接受疲勞試驗(yàn)還是存有疑慮的。”

此外盧秉恒認(rèn)為缺乏標(biāo)準(zhǔn)也是問(wèn)題之一。三維打印的結(jié)構(gòu)件用在航空上，尤其是用在民航上，需要達(dá)到適航條件。為此需要大量的試驗(yàn)來(lái)建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在這方面，我國(guó)正在積極做好相關(guān)工作。

三維打印材料的革命

三維打印也帶來(lái)了我們材料方面的科技革命。盧秉恒介紹三維打印使材料從增量走向增材。單一材料的制造可以把它叫作增量制造，而三維打印的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是把不同的材料打印一起，做成功能梯度的結(jié)構(gòu)，為我們開(kāi)辟一個(gè)很大的創(chuàng)新空間，可以把材料設(shè)計(jì)在它最能發(fā)揮效益的地方。例如表面是最耐磨、耐蝕的材料，里面是強(qiáng)度、剛度最好的材料，把不同的材料放在一起才是真正的增材制造。進(jìn)一步設(shè)想從增材到創(chuàng)材。美國(guó)NASA做了一個(gè)能夠耐受3315℃高溫的合金，來(lái)做龍飛船2號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，從而大大提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。受這個(gè)啟發(fā)或許可以利用三維打印來(lái)驗(yàn)證材料基因組計(jì)劃研究中的方案，來(lái)制造出超高強(qiáng)度、超高耐溫、超強(qiáng)韌、超高抗?jié)竦雀鞣N不同用途的新的合金材料。

總而言之三維打印是一個(gè)引領(lǐng)性的制造業(yè)共性技術(shù)，它可以支持產(chǎn)品快速開(kāi)發(fā)，支持創(chuàng)新產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，支持制造模式創(chuàng)新，使制造從控形制造走向控性制造，從增量走向增材，從增材走向創(chuàng)材，從創(chuàng)材甚至走向創(chuàng)生。

三維打印產(chǎn)業(yè)生態(tài)不可限量

目前在三維打印領(lǐng)域，我國(guó)的國(guó)產(chǎn)化設(shè)備銷(xiāo)售量基本上排世界第5，裝機(jī)應(yīng)用量排第3，專利論文數(shù)量排第2，但是我們還有很多的弱項(xiàng)，存在產(chǎn)業(yè)規(guī)模小、缺乏核心技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)、缺乏各層次人才等問(wèn)題。

如何把產(chǎn)業(yè)做大，尤其是讓航空航天這種重要產(chǎn)業(yè)能從3D打印中受益，這個(gè)是我們的責(zé)任。為此盧秉恒談及我國(guó)對(duì)增材制造行業(yè)的預(yù)測(cè)。預(yù)備在10年內(nèi)直接產(chǎn)值達(dá)到1000億元，制造業(yè)擴(kuò)散效益達(dá)6000~10000億元。這將帶來(lái)打印材料的基本供應(yīng)；價(jià)值大的元器件的國(guó)產(chǎn)化供應(yīng)；三維打印將顯著影響產(chǎn)品設(shè)計(jì)和日用品的個(gè)性化制造；并將成為航空航天領(lǐng)域復(fù)雜零件的小批量制造手段。到2035年我們將進(jìn)入第一方陣，增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模將位居世界第二，在裝備研發(fā)與生產(chǎn)、適用材料和尖端領(lǐng)域應(yīng)用方面與美國(guó)并駕齊驅(qū)。盧秉恒對(duì)此充滿信心。他預(yù)測(cè)不久的將來(lái)三維打印將從概念上的三足鼎立走向價(jià)值分享的三分天下，即便在批量生產(chǎn)方面三維打印或許沒(méi)有模具制造、切削加工那么大，但它可以制造出一些具有高端價(jià)值的產(chǎn)品，在總價(jià)值的體現(xiàn)上必將占有一定市場(chǎng)。

金屬三維打印機(jī)在航空航天領(lǐng)域的機(jī)遇友情鏈接：金屬3D打印機(jī)、液態(tài)金屬、日本牧野、