航空“3D打印”望引领中国先进制造
近日，国务院邀请中国工程院院士卢秉恒，以“先进制造与3D打印”为题进行专题讲座。李克强总理主持专题讲座，张高丽副总理及国务委员、各部部长、央企、金融机构负责人聆听授课，并讨论交流加快发展先进制造与“3D打印”等问题。
李克强总理指出，推动中国制造由大变强，必需加快实施“中国制造2025”和“互联网 ”行动，在转变发展方式中培育中国制造竞争优势，让更多有生命力的前沿技术和新兴产业集群蓬勃发展，共同铸就中国制造业新辉煌。
以“3D打印”为代表的“增材制造”对一般制造业来说，可能还是个新概念。但对航空制造业来说，“3D打印”并不陌生，早在30多年前就开始有人研究，现今已进入实际应用阶段。该项技术诞生30多年来，我国航空工业从业者积极跟踪研究，目前已经在原材料尤其是粉末冶金制备，复杂结构件制造，装机部件使用分析等领域走在国内前列，部分成果甚至达到世界先进水平。
“3D打印”制造航空部件优势明显
“3D打印”，即增材制造，是基于离散——堆积原理，采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术。目前最适用于高复杂度结构、极小批量航空航天等产业，被国内外公认为是对飞机、发动机等重大工业装备研制与生产具有重要影响的核心关键制造技术之一。
据统计，采用切削加工技术，“减法”制造的大型航空零件材料利用率非常低，平均不超过10%，同时工装模具研制成本不断上升，传统制造方法越来越不能满足需求。以美国F-22飞机中尺寸最大的钛合金整体加强框为例，材料的利用率不到4.90%。不仅如此，传统方法对制造技术及装备的要求也十分高，通常需要大规格锻坯加工及大型锻造模具制造、万吨级以上的重型液压锻造装备，制造工艺复杂，生产周期长、制造成本高。
相较而言，“加法”制造更能满足航空装备研制需求，通过“3D打印”高能束流增量制造技术，不但可以节省材料三分之二以上，减少数控加工时间一半以上，将研制成本，尤其是首件、小批量的研制成本大大降低。“3D打印”可将材料利用率提升至85%。GE公司曾利用“3D打印”把飞机发动机喷嘴上的20个零件合成了1个零件，提高燃油效率15%，相当于推动发动机前进了一代，而以往每开发一代发动机需要上亿欧元。
更重要的是，对我国而言这种新型无模敏捷制造技术也让我们在保证研制速度、加快装备更新速度方面，有了缩小与发达国家差距的新机会。
航空企业“3D打印”技术领先
中航工业近年来一直致力于“3D打印”技术的研究，重点针对高端的金属材料“3D打印”技术开展技术攻关，从金属粉末到激光熔融设备，实现不同材质零件的直接制造，不少已经装机使用交付客户。
“3D打印”的本质是材料的熔融再凝结。树脂高分子等普通材料的打印过程一般人都能理解，但金属材料的打印就不是一般人能想象，也不是一般企业能干的。
制备高纯净度、高球形度、尺寸粒度可控的高品质金属粉末是“3D打印技术”及其产业化发展的首要条件。中航工业航材院“3D打印技术”中心拥有多年高温合金雾化制粉和钛合金雾化制粉技术经验，掌握了纯洁熔炼、纯净液体金属保温与导流、负压雾化、高效粉气分离等核心关键技术，配备了先进的雾化制粉设备和粉末检测分析设备，研制出高纯、低氧、粒度可控的镍基、钴基、铁基、钛基和钛铝基合金球形粉末，产品已广泛应用于“3D打印技术”领域，成为国内金属粉末的主要供应商。特别值得一提的是，中航工业航材院采用3D打印技术制备出陶瓷颗粒增强金属基复合材料、可工程应用的TiAl/Ti梯度材料，材料硬度、强度均有显著提高；打印了材料、结构、功能一体化的耐热/控热结构，结构强度、刚度、完整性显著优于传统材料制件。
承力多少一定程度上决定了“3D打印”在航空结构件上的应用范围。针对复杂的结构，中航工业制造所依托高能束流加工技术国家重点实验室，在国际上率先实现了电子束熔丝成形飞机钛合金次承力结构件和激光选区熔化成形大尺寸金属复杂结构功能构件的装机应用。中航工业沈阳所联合北京航空航天大学合作研发的激光快速成型钛合金大型主承力结构在飞机上成功实现应用，技术水平居世界领先。中航飞机研发中心将全三维数字化设计技术与3D打印技术相结合，“打印”出包括主起落架支柱、支臂等主承力部件的多个飞机部件，并通过材料级、静力、落震、最大载荷工况等多项试验对试验件进行了全方位测试，结果显示试验件完全满足在飞机主承力部位应用。
利用“3D打印”快速实物化的特性，中航工业大幅改进调整了研制生产周期和流程。中航工业光电所应用“3D打印技术”完成了机载光电探测设备的新品原理样件，实现了机载光电探测设备数字模型的快速实物验证，形成了快速设计、性能评估优化、三维虚拟装配、样机快速试制一体化闭环设计验证环境。中航工业自控所运用3D打印导航产品零件，加工周期成倍缩短，总体工作量仅为传统方式的五分之一，为零件快速试制提供了新的生产模式。中航飞机西安飞机分公司将逆向工程技术、3D打印、精密铸造和数字化测量有机结合，打通了以三维技术为核心的数字化制造链条，成功将3D打印技术应用于C919大型客机、ARJ21新支线飞机、“新舟”系列飞机等十余个型号的精密熔模铸造生产中，进行了30余项精铸件制造，完成了近3000项工装毛坯的制造，大幅提高了工装研制效率，缩短了产品研制周期。
在3D打印的一个重要应用方向就是修复再制造。中航工业航材院采用激光3D打印技术修复飞机起落架磨损、腐蚀缺陷，经过1600余次起落飞行，状态良好。航材院还突破3D打印技术修复飞机发动机叶片研究，使我国跻身于能用3D打印技术修复航空发动机关键件的少数国家行列。
“互联网 ”航空优势技术望引领先进制造
美国GE公司曾在互联网上发布消息，挑战3D打印，将飞机的一个零部件让创客设计。其中一名19岁的设计者只用了原始结构的1/6的重量就完成了全部测试，方案甚至超过了GE公司里的资深专家，而这就是“互联网 ”与“3D打印”结合带来的益处。
航空“3D打印”产品的大范围推广市场有限，距离形成比较经济优势，需要通过新思维新模式促进增材制造技术在全社会的推广应用，加快技术优势向产品优势和市场优势的转化。“3D打印”展现了全民创新的通途，互联网是一个万众创新的平台。“互联网 制造”突破围墙，把互联网和制造业结合起来，将补足中国制造业原始创新、开始设计能力弱的短板，赋予中国制造新的生命。
中航工业创造性地借助“互联网 ”模式，打造我国第一个大型产业互联创新创业平台——中航联创，陆续推动“爱创客”平台正式上线，以“3D打印技术 互联网”的模式为参考，提出“互联网 发动机研发与制造”、“互联网＋航空基础技术”研发及商业新模式。中航联创平台上线以来，先后与地方政府、重点院校、产业园区、孵化器、创新型企业等100多家创新创业载体进行了路演对接和合作洽谈，与多个地市达成合作意向，挖掘和开发优质创新创业项目30余个，部分项目已进入实施阶段。中航联创已上线的125个基础研究项目，以深化军民融合为着眼点，力图将航空装备研制的优势技术推向更加广阔的市场，在智能制造、绿色制造、虚拟制造，强化工业基础能力等领域全面发力。
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