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3D打印助推中国新战机研制  

2013-03-16 20:53:10|  分类: 科学技术发明创造 |  标签: |举报 |字号 订阅

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   全国两会上汇集着中国最耀眼的各路“明星”,这当然包括全国政协委员、中航工业副总工程师、中国航母舰载机歼-15总设计师孙聪。2012年11月,歼-15舰载机在中国首艘航母“辽宁舰”成功起降,让这位科技明星成了记者追逐的对象。
  “对不起,对不起,这些真不能说”,面对记者提出的几个有关舰载机的问题,担心一开口就说出秘密的孙聪始终微笑着守口如瓶,但还是在不死心的记者“逼问”下,透露了不少“秘密”。
  “我想说的是,2012年是我国中航工业和我国航空工业井喷之年。让世界震惊的不光是技术,更因为航空工业发展体现了中国速度”,面对《科技日报》的专访,孙聪说。作为我国自行设计研制的首型舰载多用途战斗机,歼-15可以说 “高起点,高起步,从一无所有一下子跨越到第三代战斗机的舰载机,歼-15达到美国最先进的第三代舰载机‘大黄蜂’的技术水准。”
  从没有技术储备、技术规范、经验、人才队伍的一张白纸做起,歼-15如何实现这一飞跃?孙聪透露,歼-15项目率先采用了数字化协同设计理念:三维数字化设计改变了设计流程,提高了试制效率;五级成熟度管理模式,冲破设计和制造的组织壁垒,而这与3D打印技术关系紧密。他透露,钛合金和M100钢的3D打印技术已应用于新机试制过程,主要是主承力部分。
  在传统的战斗机制造流程当中,飞机的3D模型设计好后,需要进行长期的投入来制造水压成型设备,而使用3D打印这种增材制造技术后,零件的成型速度、应用速度得以大幅度提高。如果不是采用3D打印的增材制造技术,歼-15战斗机至今能否首飞都很难讲。
  “钛合金3D打印技术已用于新机研制”,这一条消息立刻成为媒体瞩目的焦点。《京华时报》引述孙聪的话说,钛合金和M100钢的3D打印技术已广泛用于新机设计试制过程。报道称,于去年10月至11月首飞成功的机型,广泛使用了3D打印技术制造钛合金主承力部分,包括整个前起落架。“2002年,3D打印技术刚萌芽时,我们就进行相关技术研发,通过与北航的合作,目前已具备一定产业能力。”
  同时担任“鹘鹰”飞机(歼-31)总设计师的孙聪透露另一个好消息,希望“鹘鹰”飞机未来和歼-20进行高低任务搭配,保持持续打击能力,同时也希望“鹘鹰”的改进版能成为中国下一代舰载机。相信在3D打印技术的支持下,这一天也会很快到来。
  美国空军敏锐抓住“3D打印”
  用3D打印技术制造战机,中国并不是第一家。1984年,美国开发出从数字数据打印出3D物体的技术,并在2年后开发出第一台商业3D打印机。之所以叫“打印机”,是因为它借鉴了打印机的喷墨技术,只不过,普通的打印机是在纸上喷一层墨粉,形成二维(2D)文字或图形,而3D打印则能“打”出三维的立体实物来。
  以一个手电筒为例,3D打印机能通过电脑将手电筒进行立体扫描,创建三维设计图,之后对这个立体原型进行“切片”,分成一层一层的,之后,打印机就将原材料按照设计图一层一层地“喷”上去,直到最终造出一个手电筒来,只不过3D打印机喷出的不是墨粉,而是融化的树脂、金属或者陶瓷等材料。
  传统数控制造主要是“去除型”,即在原材料基础上,使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法,去除多余部分,得到零部件,再以拼装、焊接等方法组合成最终产品,而3D打印则颠覆了这一观念,无需原胚和模具,就能直接根据计算机图形数据,通过一层层增加材料的方法直接造出任何形状的物体,这不仅缩短产品研制周期、简化产品的制造程序,提高效率,而且大打降低了成本,因此被称为“增材制造”。
  美国空军一下子就被这种新技术吸引,他们认为,如果将这种技术用在武器制造上,产生的威力将是惊人的。在航空工业上广泛被使用的一种金属是钛,它的密度只有钢铁的一半,强度却远胜于绝大多数合金,如果通过激光将钛熔化并一层层喷出飞机来,无疑将大大提高美国战机的制造速度。为此,1985年,在五角大楼主导下,美国秘密开始了钛合金激光成形技术研究,1992年这项技术才公之于众,在2002年,美国已将激光成形钛合金零件装上了战机。
  不过,由于在制造过程中钛合金变形、断裂的技术难题无法解决,美国始终无法生产高强度、大尺寸的激光成形钛合金构件。2005年,美国从事钛合金激光成型制造业务的商业公司Aeromet由于始终无法生产出性能满足主承力要求的大尺寸复杂钛合金构件,没能实现有价值的市场应用而倒闭。美国的其他国家实验室也无法攻克这一难题,只能进行小尺寸钛合金部件的打印或进行钛合金零件表面修复。
  中国领跑神奇的“3D打印”
  中国的钛合金激光成形技术起步较晚,直到1995年美国解密其研发计划3年后才开始投入研究。早期基本属于跟随美国的学习阶段,不过却后来居上,其中,中航激光技术团队取得的成就最为显著。“观察者网”文章表示,早在2000年前后,中航激光技术团队就已开始投入“3D激光焊接快速成型技术”研发,解决了多项世界技术难题、生产出结构复杂、尺寸达到4米量级、性能满足主承力结构要求的产品。
  目前,中国已具备了使用激光成形超过12平方米的复杂钛合金构件的技术和能力,成为目前世界上唯一掌握激光成形钛合金大型主承力构件制造、应用的国家。在解决了材料变形和缺陷控制的难题后,中国生产的钛合金结构部件迅速成为中国航空力量的一项独特优势,目前,中国先进战机上的钛合金构件所占比例已超过20%。
  如果与传统制造技术做一个对比,就会对中国近年新飞机接连亮相的原因有个大概了解。传统钛合金零件制造,主要依靠铸造和锻造,其中铸造零件用于大尺寸制造,美国F-22战机的主要承力部件便是大型铸造钛合金框,但铸造的零件重量较大且无法加工成精细的形状;锻造切削精度较好,但零件制造浪费严重,原料的95%都会被作为废料切掉。让飞机制造商头疼的是,由于受到机器的限制,锻造钛合金的尺寸也不能过大。3万吨大型水压机只能锻造不超过0.8平方米的零件,即使世界最大的8万吨水压机,锻造的零件尺寸也不能超过4.5平方米。而且这两种技术都无法制造复杂的钛合金构件,而焊接则会遇到可怕的钛合金腐蚀现象。
  激光钛合金成形技术则完全解决了这一系列难题,它节约了90%的昂贵的原材料,还不需要制造专用模具,原本相当于材料成本1-2倍的加工费现在只需原来的10%。加工1吨重的钛合金复杂结构件,传统工艺成本大约2500万元,而激光3D焊接快速成型技术的成本仅130万元左右,仅是传统工艺的5%。
  更重要的是,许多复杂结构的钛合金构件可以通过3D打印的方式一体成型,不仅节省了工时,还大大提高了材料强度。“观察者网”文章表示,美国F-22战机的钛合金锻件如果使用中国的3D打印技术制造,在强度相当的情况下,重量最多可减少40%。文章表示,在航空领域,在中航成飞和沈飞的下一代战斗机设计研发中,激光钛合金成形技术已得到广泛运用。通过这一技术,正在研制的两型第五代战斗机歼-20和歼-31采用钛合金的主体结构,成功降低了飞机的结构重量,提高了战机的推重比;沈飞在一年之内连续组装出歼-15、歼-16、歼-31等多型战斗机并试飞,很大程度上得益于钛合金3D打印的低成本和快速、便捷。
  此外,中国民用航空制造业也开始应用这一技术。在西北工业大学凝固技术国家重点实验室下设的激光制造工程中心,通过激光立体成型技术为将于2014年投产、2016年投入运营的国产客机C-919制造了钛合金翼梁,长度超过5米。除制造外,这些部件即使出现问题,也可以使用同样的技术进行修复,而无需重新制造,这将可以节省大量用于更换受损部件的费用。凭借激光钛合金成形技术,中国在航空材料科学领域第一次走在了世界先进水平的前列,正因为如此,今年1月18日,国务院向“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”颁发国家技术发明奖一等奖。
  “3D大战”真的来了
  中国在钛合金3D打印技术上的突飞猛进,使该领域的先行者美国甚为着急。今年1月14日,美国Sciaky公司宣布,他们已成功掌握了突破性的直接制造技术,使用电子束进行钛合金3D打印,制造的零件尺寸可以达到5.8米×1.2米×1.2米。
  Sciaky表示,自己找到了一种比激光更厉害的能量源:电子束。利用功率高达42千瓦的电子束枪,Sciaky的3D打印机可达到超高速,每小时能打印15-40磅金属钛,而大多数竞争者仅能达到每小时5磅。从数据上看,这一打印速度和零件尺寸已超过中国。不久前,中国西北工业大学刚用钛合金激光3D打印技术生产了长度为5米的飞机主承力梁,而中航3D激光打印技术则可打印4米×3米×2米的零件,虽在长度上不如美国,但在面积上仍领先美国。
  美国空军和军工巨头洛克希德·马丁公司立即宣布,与 Sciaky加强合作,用该公司生产的襟副翼翼梁装备正在生产的F-35战斗机。据估计,如果3000多架战机都使用这种技术制造零部件,不仅大大提高“难产”的F-35战机的部署速度,而且还能节省数十亿美元成本。目前,使用3D打印钛合金零件的F-35已经进行了试飞。
  “3D大战”的“战火”已蔓延至太空。2012年7月,美国太空网透露,美国宇航局(NASA)正在测试新一代3D打印机,可以在绕地球飞行时制造设备零部件,并希望把这种打印机送到火星上。早在2002年,NASA就研制出3D打印机,能按要求在短短几小时内为建筑物组件或工具制造金属零件。不过,由于打印机有些笨重,NASA一直在进行改进。一旦成功,这对美国的太空霸权无异于如虎添翼。宇宙飞船里可谓真正的寸土寸金,一旦飞船上面的某个零部件坏了,想换一个新的非常困难,而携带备用零件的话会增加飞船体积和重量。飞船升空时带上一台3D打印机,宇航员们就只需携带所需的金属丝物料,不用携带零部件成品,节省空间的同时减轻了负载,更重要的是,他们几乎可以按需打印任何物品,上太空时,也无需担心发射时遗漏物资和设备。
  这一消息让另一航天大鳄——欧洲有些坐不住。今年2月初,欧洲航天局宣布,将利用3D打印技术在月球上建立首个人类基地,据英国《每日邮报》报道,欧洲航天局计划让机器人携带3D打印机“空降”到月球上,它们将就地取材,利用3D打印技术将月球上的原始土壤转变成建筑材料。欧洲航天局表示,月球基地建筑材料的90%都可能实现就地取材。欧洲太空专家表示,一切进展顺利的话,该月球基地有望在未来40年内投入使用。
  对于各个大国来说,在这场“3D大战”中的输赢可能决定未来的命运。与航空航天业相比,3D技术早已在其他工业制造、生物医疗、建筑工程、个人化定制等领域广泛应用。由于只需要一张三维图就可以“制造任何东西”,如果3D打印机进入家庭,每个人都可以是一家工厂。英国《经济学人》杂志认为3D打印技术将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”,整个世界的制造业与物流格局都会因此被彻底颠覆。
  美国已将3D打印视为再次夺回制造业大国地位的重要技术。据《经济日报》报道,2011年,中国在工业规模上压倒美国,成为世界第一工业国。此前只有英国和美国两个世界霸主曾占据这一位置。虽然美国依然有发达的金融业和强大的军队,但还是有不少美国人担心美国会因此衰落,而与中国廉价劳动力竞争的一个途径就是通过改进制造技术,提高生产率,通过一台台3D打印机,将那些制造业从中国工人的手上夺回去,打破中国“制造大国”的地位。
  《湖北日报》表示,在即将到来的第三次工业革命这一历史时刻,中国如果赶不上、抓不住机会,良好发展态势可能会受到影响,就像当年英国人用纺织机“打败”中国、印度的手工织品一样。面对欧美咄咄逼人的攻势,中国必须增强忧患意识。令人欣喜的是,在这场“3D大战”中,发达国家目前虽有优势,但我们的差距并不大,如果中国及时重点布局,完全可能“弯道超车”。
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