盧秉恒:3D打印在航空航天領域的機遇和挑戰

時間:2016-07-13 09:52來源:中國機床商務網作者:yeyan 點擊:
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摘要:我國機械制造與自動化領域著名科學家,現為中國工程院院士,西安交通大學教授、博士生導師,任快速制造國家工程研究中心主任、國務院機械學科評議組召集人、中國機械工程學會副理事長、中國機械制造工藝協會副理事長、全國高校金屬切削機床學會理事長。

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  我國機械制造與自動化領域著名科學家,現為中國工程院院士,西安交通大學教授、博士生導師,任快速制造國家工程研究中心主任、國務院機械學科評議組召集人、中國機械工程學會副理事長、中國機械制造工藝協會副理事長、全國高校金屬切削機床學會理事長。
 
  盧秉恒主要從事快速成形制造、微納制造、生物制造、高速切削機床等方面的研究,先后主持20余項國家重點科技攻關項目。曾獲國家科技進步二等獎、國家技術發明二等獎、“做出突出貢獻的中國博士學位獲得者”稱號、全國五一勞動獎章等獎項。
 
盧秉恒:3D打印在航空航天領域的機遇和挑戰
 
 
  顛覆性技術
 
  “3D打印是一個嶄新的技術,還有非常大的發展空間。”盧秉恒院士介紹,增材制造是近30年才發展起來的,而我們比較熟悉的鑄、鍛、焊已經有3000年的歷史了,切割加工也具有300多年的歷史。根據2013年麥肯錫研究報告預測,在今后影響人們生產組織模式和社會生活的12項重大顛覆性技術中,3D打印名列第9,排在新材料和頁巖氣之前,到2030年,3D打印的效益將達到0.6~1.2萬億美元。這一預測后來又被提前,預計到2025年3D打印可能產生高達5500億美元的效益。美國“重振制造業計劃”在國會提出的口號就是要“在美國發明、在美國制造”,他們提出了一個指標:用一半的周期、一半的成本來完成產品的開發。為了實現這一目標,專家們提出3D打印是促進這一指標的有效手段。盧秉恒認為,3D打印正處于技術發展的井噴期,近兩三年國內有很多大的創新,使非金屬制造的效率提高了幾十倍,金屬制造的效率也提高了近十倍;同時,3D打印也正處于一個產業發展的起步期,很多企業都在加盟這個領域,普遍認為3D打印是一個很值得挖掘的一個金礦。
 
  在盧秉恒看來,3D打印是產品開發的利器,它在做首件上是非常有利的。“過去,我們做試制的時候,最難的就是做樣件,一架新飛機的研發周期需要10~20年。有了3D打印,我們就可以免除做首件所需要的專用工卡具、刀具、模具等等,因此大大簡化了工藝流程,可以快速做出首件來進行裝配、試驗、驗證。”盧秉恒舉例,像飛機典型的結構件大部分是框、梁、架、桁,這些東西的長度和面積都很大,但是實際上所需材料并不多,設計要求用最少的材料來實現最高的強度和剛度。3D打印是上述結構非常理想的一種指導方法,它可以克服結構件占有空間大、形狀復雜,采取切割加工時往往95%~97%的材料都會被切割掉,而且在切割加工中變形非常大,且加工所用機床的制造難度非常大等問題。“所以從這個角度上來說,3D打印在航空航天領域是一項顛覆性技術。”盧秉恒認為。航空航天所面對的是難加工的材料,它的復雜結構、加工變形控制、研發周期和成本等對傳統制造提出了一個非常大的難題,而3D打印可以用全新的方式去對付這些難題。例如,鈦合金的切削加工是很難的,但對于3D打印來說,看問題的角度變了,反而成了最容易的成形方法。3D打印可以使材料的利用率從原來的3%、5%提高到80%、90%。另外,3D打印完全可以實現個性化,非常適合航空航天多品種、小批量、大型復雜結構的制造。
 
  盧秉恒發表講話
 
  現在已經有很多很好的案例,盧秉恒介紹道:“弗吉尼亞大學兩位學生通過3D打印技術制造出一架模型飛機并成功試飛。只花了4個月的時間,成本也只是2000美元。而就在5年前,制造這樣的塑料渦扇發動機的成本約為25萬美元,需要花上2年的時間。”
 
  美好但不完美
 
  “3D打印這么美好,但是我們還需要進行很多深入的研究。”盧秉恒直言。例如,用于航空領域,需要結構件具備很好的疲勞性能,這個也是業界很多人提出置疑的問題。盡管從理論上分析,用3D打印可以獲得很好的組織結構。比如設想,飛機發動機的葉片之所以做得好,就是因為它的溫度梯度非常高,因此它的晶粒很細。而與發動機葉片的溫度梯度(每厘米幾十度)相比較,3D打印的溫度梯度在每毫米上千度,在這么高溫度梯度下,3D打印產生的晶??隙ㄊ嗆芟傅?。當然也有人不放心,認為3D打印是一點一點打印出來的,哪一點有問題它就形成了一個缺陷。盧秉恒肯定這種擔心是需要的,但他認為:“實際上在宏觀制造中,對微觀雜質的混入是不可避免的,正如鑄造中夾雜、氣孔等缺陷,即使經過鍛造,也只是改變了鑄造后的形狀,氣孔體積縮小一點、形狀變化一點,但仍然存在。而3D打印是在一個點上形成一個瞬態的高溫、一個瞬態的劇烈冷卻,允許產生缺陷的體積會非常非常小,所以應該說是最可靠的。”當然,盧秉恒也表示,要達到這種可靠性必須每一點上的工藝條件都控制得非常好。但實際上,在3D打印中,激光掃描也是有慣性質量的,由于光斑能量分布不均,因此會導致溫度場不均勻,可能會產生內應力。“這不是傳統凝固學所能解決的問題,我們需要深度研究在3D打印情況下,逐點瞬態的熱力歷程及其強非平衡態機理。”盧秉恒坦言,“我們很多的短板還是在基礎研究上,如果這些難點不克服,我們對3D打印的航空件能否接受疲勞試驗還是存有疑慮的。”
 
  此外,盧秉恒認為缺乏標準也是問題之一。3D打印的結構件用在航空上,尤其是用在民航上,需要達到適航條件。為此需要大量的試驗來建立相關標準,在這方面,我國正在積極做好相關工作。
 
  材料革命
 
  “3D打印也帶來了我們材料方面的科技革命。”盧秉恒介紹,3D打印使材料從增量走向增材。單一材料的制造可以把它叫作增量制造,而3D打印的一個優勢是把不同的材料打印一起,做成功能梯度的結構,為我們開辟一個很大的創新空間,可以把材料設計在它最能發揮效益的地方。例如,表面是最耐磨、耐蝕的材料,里面是強度、剛度最好的材料,把不同的材料放在一起才是真正的增材制造。進一步設想,從增材到創材。美國NASA做了一個能夠耐受3315℃高溫的合金,來做“龍”飛船2號的發動機構件,從而大大提高了發動機的功率。受這個啟發,或許可以利用3D打印來驗證材料基因組計劃研究中的方案,來制造出超高強度、超高耐溫、超強韌、超高抗濕等各種不同用途的新的合金材料。
 
  總而言之,3D打印是一個引領性的制造業共性技術,它可以支持產品快速開發,支持創新產品的結構設計,支持制造模式創新,使制造從控形制造走向控性制造,從增量走向增材,從增材走向創材,從創材甚至走向創生。
 
  產業生態不可限量
 
  目前,在3D打印領域,我國的國產化設備銷售量基本上排世界第5,裝機應用量排第3,專利論文數量排第2,但是我們還有很多的弱項,存在產業規模小、缺乏核心技術和標準、缺乏各層次人才等問題。
 
  “如何把產業做大,尤其是讓航空航天這種重要產業能從3D打印中受益,這個是我們的責任。”為此,盧秉恒談及我國對增材制造行業的預測。預備在10年內(2015~2025年)直接產值達到1000億元,制造業擴散效益達6000~10000億元。這將帶來打印材料的基本供應;價值大的元器件的國產化供應;3D打印將顯著影響產品設計和日用品的個性化制造;并將成為航空航天領域復雜零件的小批量制造手段。“到2035年,我們將進入第一方陣,增材制造產業規模將位居世界第二,在裝備研發與生產、適用材料和尖端領域應用方面與美國并駕齊驅。”盧秉恒對此充滿信心。他預測,不久的將來,3D打印將從概念上的三足鼎立走向價值分享的三分天下,即便在批量生產方面3D打印或許沒有模具制造、切削加工那么大,但它可以制造出一些具有高端價值的產品,在總價值的體現上必將占有一定市場。
 
【光粒網綜合報道】( 責任編輯:yeyan )
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