3D金屬打印的發(fā)展現(xiàn)狀

1、 3D金屬打印的發(fā)展現(xiàn)狀中國(guó)戰(zhàn)機(jī)揚(yáng)威大閱兵零部件為3D打印隨著9月3日日益臨近，參加紀(jì)念中國(guó)人民抗日戰(zhàn)爭(zhēng)勝利暨世界反法西斯勝利70周年大閱兵的空中梯隊(duì)也參加了快節(jié)奏的訓(xùn)練，近日，網(wǎng)上公布了很多有關(guān)閱兵訓(xùn)練的解放軍軍機(jī)照片，盡管這些照片不能全面展示此次閱兵空中梯隊(duì)的全部情況，但也足以讓國(guó)人一睹為快，了解到參加此次閱兵的的主要機(jī)型和特點(diǎn)。其中不乏3D打印技術(shù)生產(chǎn)出來(lái)的零部件產(chǎn)品，我們就從3D打印的角度對(duì)本次大閱兵的機(jī)型進(jìn)行一次簡(jiǎn)單的解析。一、參閱飛機(jī)亮點(diǎn)多：部分戰(zhàn)機(jī)采用了3D打印技術(shù)目前，從網(wǎng)絡(luò)上公布出來(lái)的照片來(lái)看，此次大閱兵亮點(diǎn)頗多，首先是空軍八一飛行表演首次以殲-10戰(zhàn)機(jī)接受檢閱，海陸空共10

2、個(gè)梯隊(duì)的140余架各型固定翼飛機(jī)和直升機(jī)，機(jī)型包括殲15艦載機(jī)、轟6K轟炸機(jī)、武直10、武直19等解放軍近年服役的一批最新型飛機(jī)，有目擊者形容彩排場(chǎng)面“遮天蔽日”，蔚為壯觀。這些參加彩排的戰(zhàn)機(jī)當(dāng)中，有不少零部件采用了3D打印技術(shù)。8月23日，彩排場(chǎng)面“遮天蔽日”，蔚為壯觀說(shuō)起3D打印在航空領(lǐng)域的應(yīng)用，值得一提的是我國(guó)大中型軍民用飛機(jī)的研制生產(chǎn)商西飛集團(tuán)。此前，有媒體報(bào)道稱，近年來(lái)3D打印技術(shù)以其“制造靈活性”和“大幅節(jié)省原材料”等優(yōu)越性而有效應(yīng)用于航空制造領(lǐng)域，西飛率先開(kāi)展“3D打印技術(shù)在精密鑄造領(lǐng)域應(yīng)用”項(xiàng)目研究，并將逆向工程技術(shù)、3D打印、精密鑄造和數(shù)字化測(cè)量有機(jī)結(jié)合，打通了以三維技術(shù)為核

3、心的數(shù)字化制造鏈條，并成功將項(xiàng)目研發(fā)成果應(yīng)用于C919飛機(jī)、新支線飛機(jī)、MA60飛機(jī)等多款軍民用飛機(jī)產(chǎn)品中。中航工業(yè)西飛成功將3D打印技術(shù)用于應(yīng)用于C919大型客機(jī)的生產(chǎn)制造中國(guó)公開(kāi)展出的3D打印一次成型的戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)身橫框（圖源：騰訊網(wǎng)）第一款艦載戰(zhàn)斗機(jī)殲-15（圖源：新華網(wǎng)）中國(guó)第五代戰(zhàn)斗機(jī)殲-31有資料資料顯示，中國(guó)第一款本土商用客機(jī)C-919、第一款艦載戰(zhàn)斗機(jī)殲-15、多用途戰(zhàn)斗轟炸機(jī)殲-16、第一款本土隱形戰(zhàn)斗機(jī)殲-20及第五代戰(zhàn)斗機(jī)殲-31的研發(fā)均使用了3D打印技術(shù)。3D打印助“鬼鳥(niǎo)”成為空軍的殺手锏二、3D打印助“鬼鳥(niǎo)”成為空軍獨(dú)特的殺手锏在傳統(tǒng)的戰(zhàn)斗機(jī)制造流程當(dāng)中，飛機(jī)的3D模型設(shè)

4、計(jì)好后，需要進(jìn)行長(zhǎng)期的投入來(lái)制造水壓成型設(shè)備,而使用3D打印這種增材制造技術(shù)后，零件的成型速度、應(yīng)用速度得以大幅度提高。目前中國(guó)已具備了使用激光成形超過(guò)12平方米的復(fù)雜鈦合金構(gòu)件的技術(shù)和能力，成為當(dāng)今世界上唯一掌握激光成形鈦合金大型主承力構(gòu)件制造、應(yīng)用的國(guó)家?！肮眸B(niǎo)”隱身戰(zhàn)機(jī)采用了3D打印技術(shù)，可躲開(kāi)雷達(dá)，行動(dòng)神秘似幽靈中國(guó)最強(qiáng)隱身戰(zhàn)機(jī)當(dāng)屬殲-25，這個(gè)號(hào)稱“鬼鳥(niǎo)”的隱身戰(zhàn)機(jī)采用了3D打印技術(shù)可躲開(kāi)世界主要國(guó)家裝備的雷達(dá)，行動(dòng)神秘似幽靈，故有“鬼鳥(niǎo)”之稱。BWCHINESE中文網(wǎng)曾經(jīng)報(bào)道聲稱，殲-25之所以具有卓越的隱身性能，秘訣之一就是它是完全采用3D打印技術(shù)的機(jī)型。中國(guó)科研人員在殲-25的

5、研制上，通過(guò)刻苦鉆研，克服重重障礙，橫空出世的殲-25代表著3D打印技術(shù)在戰(zhàn)斗機(jī)制造方面的最高水平。殲-25就是中國(guó)3D打印技術(shù)運(yùn)用到戰(zhàn)機(jī)制造上最為成功的典范據(jù)推測(cè)，在不久的將來(lái)，一大批經(jīng)3D打印的技術(shù)裝備將在國(guó)防事業(yè)上發(fā)揮重要作用。殲-25就是中國(guó)3D打印技術(shù)運(yùn)用到戰(zhàn)機(jī)制造上最為成功的典范。3D打印技術(shù)使得殲-25戰(zhàn)機(jī)極大的減輕機(jī)身重要，飛行速度得到極大提升，在空中也變得愈發(fā)輕易與自在。3D打印技術(shù)使得殲-25戰(zhàn)機(jī)極大的減輕機(jī)身重要，飛行速度得到極大提升從外媒披露的信息來(lái)看，最新的殲-25由成都飛機(jī)工業(yè)公司生產(chǎn)，具備超音速巡航能力，最大起飛重量超過(guò)20噸。從起飛重量來(lái)看，殲-25可以稱之為一

6、架中型的戰(zhàn)機(jī)。殲-25主要用于制空，是一款多用途、全天候的空中優(yōu)勢(shì)戰(zhàn)斗機(jī)，其隱身性能可以來(lái)無(wú)影，去無(wú)蹤，目前世界主要國(guó)家裝備的雷達(dá)很難發(fā)現(xiàn)。因此，隱身成為其獨(dú)特的殺手锏。三、中國(guó)航空業(yè)在3D打印技術(shù)上已經(jīng)走在了世界前列用3D打印技術(shù)制造戰(zhàn)機(jī)，中國(guó)并不是第一家。1984年，美國(guó)開(kāi)發(fā)出從數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)打印出3D物體的技術(shù)，并在2年后開(kāi)發(fā)出第一臺(tái)商業(yè)3D打印機(jī)。之所以叫“打印機(jī)”，是因?yàn)樗梃b了打印機(jī)的噴墨技術(shù)，只不過(guò)，普通的打印機(jī)是在紙上噴一層墨粉，形成二維(2D)文字或圖形，而3D打印則能“打”出三維的立體實(shí)物來(lái)。M&hpool【c成形3建模(b)切片圖3昊國(guó)屁唧七公司的激丸快逹嚴(yán)形焉統(tǒng)乳甚制備的鈦合

7、金飛機(jī)執(zhí)身隔框等嵐件美國(guó)在上世紀(jì)80年代已經(jīng)用3D打印技術(shù)制造戰(zhàn)機(jī)(圖源：中新網(wǎng))以一個(gè)手電筒為例，3D打印機(jī)能通過(guò)電腦將手電筒進(jìn)行立體掃描，創(chuàng)建三維設(shè)計(jì)圖，之后對(duì)這個(gè)立體原型進(jìn)行“切片”，分成一層一層的，之后，打印機(jī)就將原材料按照設(shè)計(jì)圖一層一層地“噴”上去，直到最終造出一個(gè)手電筒來(lái)，只不過(guò)3D打印機(jī)噴出的不是墨粉，而是融化的樹(shù)脂、金屬或者陶瓷等材料。圖為美國(guó)Aeromet公司生產(chǎn)的F/A-18E戰(zhàn)斗機(jī)的激光增材超大尺寸整體框，因強(qiáng)度問(wèn)題在試驗(yàn)中測(cè)試失?。▓D源：中新網(wǎng)）不過(guò)，由于在制造過(guò)程中鈦合金變形、斷裂的技術(shù)難題無(wú)法解決，美國(guó)始終無(wú)法生產(chǎn)高強(qiáng)度、大尺寸的激光成形鈦合金構(gòu)件。2005年，美國(guó)

8、從事鈦合金激光成型制造業(yè)務(wù)的商業(yè)公司Aeromet由于始終無(wú)法生產(chǎn)出性能滿足主承力要求的大尺寸復(fù)雜鈦合金構(gòu)件，沒(méi)能實(shí)現(xiàn)有價(jià)值的市場(chǎng)應(yīng)用而倒閉。美國(guó)的其他國(guó)家實(shí)驗(yàn)室也無(wú)法攻克這一難題，只能進(jìn)行小尺寸鈦合金部件的打印或進(jìn)行鈦合金零件表面修復(fù)。大型整體鈦鋰豐牛激光直接制造技木LaserDirectManufacturingofLar9entdftiumComponents!帶料咖OMmx3中國(guó)成為目前世界上唯一掌握激光成形鈦合金大型主承力構(gòu)件制造、應(yīng)用的國(guó)家我國(guó)于1999年才開(kāi)始金屬零件的激光快速成形技術(shù)研究，晚于美國(guó)十幾年，但是發(fā)展速度很快，近年來(lái)在飛機(jī)鈦合金大型整體結(jié)構(gòu)件的激光快速成形方面取得了

9、重要突破，目前，中國(guó)已具備了使用激光成形超過(guò)12平方米的復(fù)雜鈦合金構(gòu)件的技術(shù)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(gòu)件制造、應(yīng)用的國(guó)家。中國(guó)航空業(yè)在3D打印技術(shù)上已經(jīng)走在了前列，多個(gè)型號(hào)飛機(jī)使用了3D打印部件，部分技術(shù)已經(jīng)達(dá)到世界領(lǐng)先水平。資料顯示，從2001年起，我國(guó)開(kāi)始重點(diǎn)發(fā)展以鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成型技術(shù)為主的激光3D打印技術(shù)。圖為F-35的鈦合金整體框，目前美國(guó)仍然只能使用水壓機(jī)來(lái)進(jìn)行這種構(gòu)件的生產(chǎn)在3D打印領(lǐng)域，中國(guó)是個(gè)后來(lái)居上者，但近年來(lái)發(fā)展極為迅速，大有后來(lái)居上之勢(shì)。據(jù)新華社報(bào)道，中船重工第705研究所歷經(jīng)一年時(shí)間的研制，該所在3D打印機(jī)技術(shù)領(lǐng)域取得重大突破，借助

10、直接金屬激光燒結(jié)快速成型技術(shù)實(shí)現(xiàn)了3D打印，成為繼美國(guó)、德國(guó)的3D打印巨頭之后，世界上第四家掌握該技術(shù)的企業(yè)。值得一提的是，2015年7月16日北京航空航天大學(xué)在國(guó)防科技工業(yè)軍民融合發(fā)展成果展上，亮相的一具使用大型金屬構(gòu)件激光增材制造技術(shù)所生產(chǎn)的大型部件，這具大型部件是航空飛行器所使用的機(jī)體部件之一。這款以實(shí)物展出的大型飛行器構(gòu)件，是迄今國(guó)際上最大的激光增材制造主承力關(guān)鍵鈦合金構(gòu)件飛機(jī)機(jī)身整體加強(qiáng)框，無(wú)模、整體、快速研制。迄今國(guó)際上最大的激光增材制造主承力關(guān)鍵鈦合金構(gòu)件E機(jī)機(jī)身整體加強(qiáng)框：5.02m2r無(wú)模.整體.快速研制2015年7月16日上午北航展示國(guó)產(chǎn)新戰(zhàn)機(jī)3D打印大型金屬部件而所謂的激

11、光增材制造技術(shù)，就是3D打印技術(shù)中的一種，采用這種激光增材制造技術(shù)制造的飛機(jī)機(jī)身整體加強(qiáng)框，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，有著高性能、低成本、快速試制的特點(diǎn)。生產(chǎn)周期只有采用傳統(tǒng)技術(shù)制造的五分之一，同時(shí)在強(qiáng)度、壽命等各項(xiàng)指標(biāo)上，與傳統(tǒng)工藝技術(shù)部件相比更加優(yōu)秀。3D打印技術(shù)可助中國(guó)加快新一代飛機(jī)的研發(fā)，3D打印技術(shù)可節(jié)省時(shí)間和材料,研究人員能短期內(nèi)輕易打印出組裝樣機(jī)所需的各種高端、精密的零部件。沒(méi)有制模和其他復(fù)雜的傳統(tǒng)工序，造樣機(jī)的成本要低很多，科學(xué)家可以不斷制造更多復(fù)制品用于試驗(yàn)。3D打印是將金屬熔融后疊加取得成品四、3D打印技術(shù)成型是將金屬熔融后疊加取得成品3D打印，學(xué)名為增材制造，是基于離散堆積原理，采

12、用材料逐漸累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)。目前最適用于高復(fù)雜度結(jié)構(gòu)、極小批量航空航天等產(chǎn)業(yè)，被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為是對(duì)飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等重大工業(yè)裝備研制與生產(chǎn)具有重要影響的核心關(guān)鍵制造技術(shù)之一。增材制造：在工件上激光沉積焊接3D打印同時(shí)也被稱為激光快速成型，是一種新興制造技術(shù)。3D打印機(jī)可將電腦上的設(shè)計(jì)圖轉(zhuǎn)化為實(shí)物，將材料層層疊加直至取得成品。從金屬制造和加工業(yè)來(lái)說(shuō)，3D打印基本原理是將零件數(shù)字化模型進(jìn)行空間網(wǎng)格化，通過(guò)像素化分解成為一個(gè)個(gè)空間點(diǎn)陣，然后利用金屬微量熔融或燒結(jié)的沉積技術(shù)，將零件一層層堆積而成，它的成型原理類似于目前普遍使用的激光打印機(jī)，只是普通的激光打印機(jī)所打印的是平面圖形，而3D打印則是通

13、過(guò)累計(jì)一層一層的打印圖形形成空間三維構(gòu)型實(shí)體。墨爾本市舉行的阿瓦隆國(guó)際航空展上，澳大利亞研究人員發(fā)布了世界首款3D打印噴氣式飛機(jī)引擎航空工業(yè)應(yīng)用的3D打印主要集中在鈦合金，鋁鋰合金，超高強(qiáng)度鋼，高溫合金等材料方面，這些材料基本都是強(qiáng)度高，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易成型加工，傳統(tǒng)加工工藝成本高昂的類型。目前的3D打印技術(shù)通常分為4類，包括固化成形技術(shù)、疊層實(shí)體制造技術(shù)、熔融沉積造型技術(shù)和激光燒結(jié)技術(shù)。航空制造領(lǐng)域最前沿的3D打印技術(shù)當(dāng)屬高性能金屬構(gòu)件激光成型技術(shù)，該技術(shù)是以合金粉末為原料，通過(guò)激光熔化逐層堆積，從零件數(shù)模一步完成高性能大型復(fù)雜構(gòu)件的成型。其優(yōu)勢(shì)在于能夠制造出采用傳統(tǒng)鑄造和機(jī)械加工方法難以

14、獲得的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，且很少或幾乎沒(méi)有材料浪費(fèi)中船重工第七O五研究所試制完成金屬直接燒結(jié)快速成型技術(shù)（DMLS）首臺(tái)樣機(jī)，成為世界上第四家掌握該技術(shù)的企業(yè)直接金屬激光燒結(jié)成型技術(shù)（DirectMetalLaser-Sintering，縮寫DMLS）是3D打印技術(shù)領(lǐng)域王冠上的明珠。該技術(shù)因?yàn)橹苯佑酶吣芰康募す馊廴诮饘俜勰┏练e同時(shí)燒結(jié)固化粉末金屬材料并自動(dòng)地層層堆疊，以生成致密的幾何形狀的實(shí)體零件。而金屬本身是致密體重熔，不易產(chǎn)生粉末冶金那樣的成形時(shí)的空穴，結(jié)構(gòu)件致密度可達(dá)99以上，接近鍛造的材料胚體。通過(guò)選用不同的燒結(jié)材料和調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，可以生成性能差異變化很大的零件從具有多孔性的透氣鋼，到耐腐蝕的

15、不銹鋼再到組織致密的模具鋼。采用DMLS技術(shù)甚至能夠直接制造出非常復(fù)雜的零件，避免了采用銑削和放電加工，為設(shè)計(jì)提供了更寬的自由度。第十屆珠海航展上一個(gè)通過(guò)3D打印技術(shù)修復(fù)的受損戰(zhàn)斗機(jī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)葉片在2014年11月舉辦的第十屆珠海航展上，西安鉑力特激光成形技術(shù)有限公司參展。在展品中，筆者看到一個(gè)受損的戰(zhàn)斗機(jī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)葉片。據(jù)了解，這塊葉片是戰(zhàn)斗機(jī)在使用過(guò)程中造成損壞，由西安鉑力特使用3D打印技術(shù)進(jìn)行了修復(fù)，實(shí)現(xiàn)了損壞零部件的修復(fù)再利用。還有一件展品就是C919客機(jī)緣條零件，該零件是首次在航展上曝光，作為大型客機(jī)的承重部件，已經(jīng)能夠使用國(guó)產(chǎn)的3D打印技術(shù)制造。3D打印技術(shù)在軍事領(lǐng)域意味著什么？五

16、、3D打印技術(shù)的應(yīng)用在軍事領(lǐng)域意味著什么？與傳統(tǒng)技術(shù)相比，3D打印技術(shù)最突出的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需機(jī)械加工或任何模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，從而大幅縮短生產(chǎn)周期。此外3D打印技術(shù)還可以制造出傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)無(wú)法制造出的外形，讓人們可以更有效地設(shè)計(jì)出飛機(jī)機(jī)翼、熱交換器等工藝復(fù)雜的產(chǎn)品。在生產(chǎn)過(guò)程中還沒(méi)有與其功能無(wú)關(guān)的剩余物，一旦技術(shù)走向全面成熟，將大大降低生產(chǎn)成本。甚至一個(gè)人、一臺(tái)電腦、一部打印機(jī)就有可能組成一個(gè)“工廠”。3D打印技術(shù)最突出的優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需機(jī)械加工或任何模具，直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件資料顯示上世紀(jì)八九十年代，要研發(fā)新一代戰(zhàn)斗機(jī)至少要花10-20年的時(shí)間。而使

17、用3D打印這種增材制造技術(shù)后，零件的成型速度、應(yīng)用速度得以大幅度提高。如果借助3D打印技術(shù)及其他信息技術(shù)，最少只需3年時(shí)間就能研制出一款新戰(zhàn)斗機(jī)。除了能夠提升武器裝備的研發(fā)速度外，3D打印技術(shù)還能大幅降低武器裝備的造價(jià)成本。傳統(tǒng)的武器裝備生產(chǎn)中，原材料通過(guò)切割、磨削、腐蝕、熔融等工序，除去多余部分形成零部件，然后被拼裝、焊接成產(chǎn)品。這一過(guò)程中，將有90%的原材料被浪費(fèi)掉。與傳統(tǒng)工藝不同，3D打印技術(shù)的武器裝備及其配件生產(chǎn)過(guò)程中，可直接根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)，通過(guò)層層增加材料的方法“打印”出高精尖的武器裝備與配件，按需取材，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程幾乎沒(méi)有浪費(fèi)。3D打印用于新型發(fā)動(dòng)機(jī)的制造（圖源：新華網(wǎng)）有了3

18、D打印技術(shù)，只要知道武器構(gòu)件的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)，無(wú)論多復(fù)雜，都可以做出來(lái)，而且成本還很低，制造裝備就變得異常容易。這顯然將使武器的價(jià)格下降和生產(chǎn)速度大大加快，尤其會(huì)使尖端武器“白菜化”，使一些原本為大國(guó)、強(qiáng)國(guó)壟斷的武器生產(chǎn)能力，擴(kuò)散到小國(guó)、發(fā)展中國(guó)家或某些集團(tuán)手里。2013年，美國(guó)一家公司利用3D打印技術(shù)，成功地打造出AR-15半自動(dòng)步槍的彈匣和其它部件后來(lái)這家公司又宣布首款名為“解放者”的3D打印手槍試射成功全球最大的導(dǎo)彈生產(chǎn)商雷神公司使用3D打印技術(shù)制作的導(dǎo)彈部件美軍中一些想象力豐富的專家預(yù)測(cè)，在未來(lái)信息化戰(zhàn)場(chǎng)上，維修受損武器將變得十分輕松，技術(shù)保障人員可隨時(shí)啟動(dòng)攜帶的3D打印機(jī)，直接把所需的部

19、件一個(gè)個(gè)“打印”出來(lái)，裝配起來(lái)，讓武器重新投入戰(zhàn)場(chǎng)。有了這種“克隆”武器的“移動(dòng)兵工廠”，戰(zhàn)時(shí)可快速補(bǔ)充作戰(zhàn)消耗。3D打印無(wú)法完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)加工制造業(yè)六、3D打印短時(shí)間還無(wú)法完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)加工制造業(yè)隨著中國(guó)制造在航空領(lǐng)域的不斷進(jìn)步，3D打印技術(shù)也迎來(lái)了發(fā)展的春風(fēng)，相信在不久的將來(lái)，這一技術(shù)會(huì)更加成熟與完善，成為國(guó)際制造業(yè)中的一支標(biāo)桿。但是3D打印技術(shù)要想完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)加工制造業(yè)目前還是不現(xiàn)實(shí)的，至少需要解決以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：中國(guó)PLA戰(zhàn)艦進(jìn)港遇齒輪斷裂艦上3D打印快速修復(fù)1、3D打印的材料問(wèn)題。目前可以廣泛應(yīng)用的3D打印產(chǎn)品，集中在飾品、模具模型、個(gè)性化家居產(chǎn)品以及汽車飛機(jī)的小尺寸零件上，使用的材料無(wú)非是樹(shù)脂、塑料、普通金屬粉末等。這個(gè)產(chǎn)業(yè)要向高端發(fā)展，就必須突破性能要求非常高的合金材料、高分子復(fù)合材料這一關(guān)，這涉及的材料種類達(dá)幾百種甚至更多，只有這樣，3D打印技術(shù)才能