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        個性化航空航天新應用 3D打印產業化迎來新契機


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        10月19日下午,中國航天科技集團總工程師,博士生導師楊海成教授在遼寧交通高等??茖W校所做的學術報告中指出:“隨著‘互聯網 ’思維的不斷深入,企業發展正向新型的平臺型企業邁進。個性化定制是今后工業發展的最新趨勢,像在天宮2號中,也會出現3D打印機,用于天宮本身零部件的更換和維修!”

        眾所周知,中國航天60年,10月19日3時31分,神舟十一號飛船與天宮2號自動交會對接成功。而天宮2號空間實驗室早已于2016年9月15日22時04分09秒在酒泉衛星發射中心發射成功。它較大的改進是裝備更豪華、裝載量提高、內部環境更好,而且它的系統設計是模塊化的,也就是說它出現問題時可以快速更換和在軌維修,這在國內空間領域屬于首創。天宮2號使用3D打印機,則實現本身零部件的快速更換與維修。

        事實上,3D打印在中國航空航天業并不是第一次隆重登場,在2015年紀念中國人民抗日戰爭勝利暨世界反法西斯勝利70周年大閱兵的空中梯隊中使用的飛機中,不乏3D打印技術生產出來的零部件產品。

        正如工業和信息化部總工程師張峰在“中國增材制造產業聯盟”成立大會上所言,“我國增材制造技術研究起步不晚,有些方面還處于世界領先地位?!鳖I先地位的正是中國航空業在3D打印技術上應用,不僅多個型號飛機使用了3D打印部件,而且部分技術已經達到世界領先水平。

        例如,在金屬零件的激光快速成形技術研究上,我國開始于1999年,相比美國晚了十幾年。不過,在應用研究成果上,美國卻一直無法實現突破。2005年,美國Aeromet公司生產的F/A-18E戰斗機因強度問題試驗失敗。隨后,該公司因無法生產出性能滿足主承力要求的大尺寸復雜鈦合金構件,無法實現有價值的應用市場而倒閉了。而我國已經具備了使用激光成形超過12平方米的復雜鈦合金構件的技術和能力,成為目前世界上唯一掌握激光成形鈦合金大型主承力構件制造、應用的國家。

        在傳統的戰斗機制造流程當中,飛機的3D模型設計好后,需要進行長期的投入來制造水壓成型設備,而使用3D打印這種增材制造技術后,零件的成型速度、應用速度得以大幅度提高。資料顯示,原本制造一架航空機型需要花費10-20年時間,而應用3D打印技術以后,最少需要花3年時間。足以證明,3D打印技術在復雜的工業領域有著無可取代的優勢。

        其實,3D打印技術一直以來因成本、技術問題無法大規模制造,而且全球的3D打印產業化都還處于起步階段。如果3D打印技術要想完全代替傳統加工制造業目前還是不現實的,至少還需要攻克以下幾個方面的難題:

        材料方面,3D打印又稱“增材制造”,不難看出,材料是這項技術的核心,材料用的合適,才能制造出合適的產品。當前3D打印產品的應用,主要集中在飾品、模具模型、個性化家居產品以及汽車飛機的小尺寸零件上,使用的材料無非是樹脂、塑料、普通金屬粉末等。若產業往高端化發展,則需要突破性能要求非常高的合金材料、高分子復合材料這一關,這涉及的材料種類達幾百種甚至更多。因而,3D打印技術才能進入航空航天、人工智能、大型復雜機械和生物醫療領域。

        軟件方面,從目前的技術水平來看,消費級3D打印機幾乎只能制造一些像雞蛋架、梳子這類簡單的產品。而想要制造復雜工業的產品,光是三維設計這個技術,就不是每個人都能掌握的。而且,在我國暫時還沒有屬于自己的三維設計軟件,使用還需支付大額專利費用。

        能源問題,目前3D打印采用的能量源是激光,但其生產效率還有待提高,尤其是在加工大尺寸、熔點較高的金屬制品時更是如此。若能在能源方面突破,那么打印效率就能實現成倍提升。

        設備方面,當前的3D打印機精度大約是0.1毫米級,如果能夠突破納米級別,極大地拓展該產業的應用范圍,并能帶來很多革命性的成果。

        總體而言,在生產過程中還沒有與其功能無關的剩余物,一旦技術成熟將大大降低生產成本,甚至一個人、一臺電腦、一部打印機就有可能組成一個“工廠”。也正因為3D打印技術在航空航天制造這類復雜的工業領域有著無可替代的優勢,所以我國高度重視增材制造技術和產業的發展,不僅出臺了系列政策,以及產業化規劃,還建立其初步的支撐體系。個性化定制是今后工業發展的最新趨勢,那將是一個3D打印領域的新契機,而產業化將不再是難題。

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