石頭+玲子

3D打印，將讓人類在航空航天征途上飛得更快 更高更遠。國內3D打印及航空航天領域的專家們日前在首屆“中國航空航天增材制造技術與應用論壇”上宣布，作為一項顛覆性的制造技術，3D打印將給航空航天領域帶來重大變革。

3D打印為什么受到航空航天界的特別青睞？它會帶給我們哪些改變？這得從3D打印技術的原理特點說起。3D打印技術誕生于上世紀80年代的美國，可將物體進行三維結構化設計，采用分層加工、疊加成形的方式，以激光束或電子束作為熱源，將塑料、金屬合金、陶瓷等粉末材料按照預先設計的圖形逐層高溫熔化、凝固，最后得到與零件三維模型完全一致的真實零件，也叫“增材制造”。

如果說鑄造技術類似用模具在冰箱中凍冰棍，鍛造技術像鐵匠千錘百煉打鐵器，那么3D打印則是一種全新的整體化制造技術，能大幅簡化零件制造繁雜的工藝流程，大大節(jié)省研制時間并提高原材料的利用率。

復雜零件輕松“搞定”

不論是現(xiàn)代的飛機還是航天器，都追求用盡可能少和輕的材料實現(xiàn)最大強度和剛度，因此構件常常采用“占空比”很大的異形設計，導致其結構特別復雜，形狀“歪瓜裂棗”，像做過“鏤空”處理，用切削加工的方式制造則難度很大，有時95%的材料都被切割掉，且制造周期長達幾個月。

3D打印技術恰恰彌補了常規(guī)制造方法的不足，能快速地打印出結構復雜的零件，是實現(xiàn)結構復雜零件產品化的捷徑。

想象一下，將飛機的渦輪盤、框梁，航天發(fā)動機泵殼體、航天器的網(wǎng)格壁板密封艙等關鍵部件，從三維模型剖切成若干層二維“薄片”，那么不論這個三維零件結構多么復雜，只需逐層打印二維“薄片”并疊加粘結，就可快速將產品完整做出來。

前不久，我國成功發(fā)射的首枚新一代運載火箭“長征七號”的某試驗搭載中，就有用3D打印技術制造的鈦合金構件。中國運載火箭技術研究院副總工程師陳濟輪向記者透露，采用3D打印只用7天就搞定以往好幾個月才能加工完的零件。

中國工程院院士、北京航空航天大學教授王華明回憶說，國產大飛機C919機頭工程樣機的主風擋框、連接機翼和機身的上下緣條等鈦合金大型復雜關鍵構件就曾采用3D打印制造，只用幾十天時間就完成了傳統(tǒng)工藝耗時兩年的工作，材料用量不足傳統(tǒng)鍛件的十分之一。

“若使用3D打印技術制造航空航天構件，至少可以壓縮一半的周期和成本?！敝袊こ淘涸菏俊⑽靼步煌ù髮W教授盧秉恒日前在首屆“中國航空航天增材制造技術與應用論壇”上介紹，美國宇航局2013年通過3D打印技術制造的J—2x火箭發(fā)動機噴注器就在高溫點火試驗中產生了創(chuàng)紀錄的9噸推力，并使整體式噴注器組零件數(shù)由原來的115個集成為2個，大大提高了生產效率。

從空間“五金店”到“太空工廠”

“縮短型號研發(fā)流程，實現(xiàn)復雜結構產品的小批量快速制造只是3D打印作為顛覆性技術的一個方面?！标悵喺J為，3D打印將會打破傳統(tǒng)制造工藝對先進結構設計的制約，讓產品設計師放手做出“天馬行空”的設計。

如今，3D打印已將人類生產制造活動延展到外太空。眾所周知，太空環(huán)境與地面上完全不同，就是緊固螺帽這么簡單的工作，在空間站都受到極大制約，更別說制造工具。

因而在3D打印機被送上太空以前，人類進入太空就像去戶外露營，得把要用的工具都帶齊全。但自從空間站有了3D打印機，宇航員可以隨時設計打印出急需的個性化工具，就像多了個空間“五金店”。美國宇航局的地面工作人員就曾通過電子郵件給空間站傳了一個數(shù)字模型文件，由空間站上的宇航員自主地3D打印出一個急需的套筒扳手。

據(jù)悉，美國宇航局計劃將3D打印技術應用到太空發(fā)射系統(tǒng)的創(chuàng)建和“獵戶座”飛船的火箭部件上，并使之成為未來登陸火星計劃的一部分。

曾任歐洲空間局局長的讓·雅克·多爾丹近日在北京接受記者采訪時表示，3D打印技術應用前景廣闊，或將在未來空間資源開發(fā)利用中，幫助人們直接在太空中進行礦產開發(fā)與深加工，實現(xiàn)飛行器在空間維修和燃料加注，使人類在深空探測中走得更遠。

科學家相信，隨著3D打印技術的不斷進步，人類未來有可能將地面制造工廠搬到外太空，利用太空中真空、超低溫等特殊環(huán)境和無限的空間及能源，制造出更多高精尖的產品。

助力中國航天制造 機遇與挑戰(zhàn)并存

在麥肯錫公司2013年公布的一份報告中，3D打印在今后影響人們生產組織模式和社會生活的十二項重大顛覆性技術中名列第九。歐美各國都意識到3D打印技術在航空航天領域的優(yōu)勢以及在空間站建設、深空探測等領域的潛在應用前景，各自形成了3D打印發(fā)展路線圖，并在航空航天領域積極作出部署。

當你能用一臺3D打印機制造出飛機時，還會有誰需要數(shù)以億計美元的生產設施？研究人員試圖使用3D印刷技術來制造一架能自行飛上天的飛機。

“我國的3D打印技術相比國外，研究起步并不晚，某些方面還處于領先地位，但應看到，我國3D打印產業(yè)發(fā)展較慢，企業(yè)規(guī)模不足?！北R秉恒院士坦言，目前仍存在著大型零件批量化生產難度大、產品的疲勞強度等性能滿足適航條件難，缺乏統(tǒng)一的制造和校驗標準、設備昂貴等瓶頸，和國外相比，存在數(shù)量級的差距。

如今，中國對3D打印技術日益重視，迎來3D打印良好的發(fā)展機遇。3D打印已被當作“中國制造2025”的一項重要工程來發(fā)展，國家已制訂了相應的發(fā)展規(guī)劃，并從十三五開始進行財力支持。

可以預見，隨著3D打印技術規(guī)模的產業(yè)化，傳統(tǒng)的工藝流程、生產線、工廠模式、產業(yè)鏈組合都將面臨深度調整。3D打印技術在中國航空航天領域上的應用前景也將充滿無限可能。