我國首批“青千”潘登教授：中國航空3D打印才剛剛開始

結構復雜的航空部件制造如何能化繁為簡，一次成形？

傳統(tǒng)的部件制造材料利用率僅5%，可以提高到85%？

哪種技術工藝可將部件制造周期由24個月縮短至3個月，并且大大延長使用壽命，節(jié)約上百萬人民幣的維修成本？

答案是，3D打印。

潘登教授是美國約翰霍普金斯大學博士，先后入選教育部“新世紀優(yōu)秀人才”支持計劃、上海市“東方學者”特聘教授，現(xiàn)任浙江清華長三角研究院特種金屬研究中心主任、上海市高校“金屬基先進電力材料”重點實驗室主任。

故事要從5月5日我國首架國產大飛機C919試飛成功開始說起，這架大飛機的首飛圓了國人自住制造的夢想，此外還有一個不得不說的亮點便是開啟了增材制造技術在國內航空領域的應用時代：簡單來說就是大飛機上應用了3D打印技術制造的若干功能件，這在國內尚屬首次。

盡管和傳統(tǒng)的鑄鍛和機加工技術相比，3D打印技術用的材料成本高，但僅就航空領域而言，單個結構件在制造過程的裝配成本和生命周期的運營成本可以節(jié)省上百萬人民幣，絕對是個“穩(wěn)賺不賠”的生意。中國3D打印與航空領域的故事，才剛剛開始。

“小鍋菜”的定制生產 一步到位的制作工藝

3D打印技術是一種全新的制造方法，其思想突破了傳統(tǒng)的材料變形成形和去除成形的原理。利用這種方法可在沒有工裝夾具或模具的條件下，迅速制造出任意形狀復雜的三維實體零件。只需4步，便可制作一個3D打印產品。

第一步，計算機建模；
第二步，將模型層化，也就是把三維的模型變成二維；
第三步，把模型信號輸入打印機，逐層打��；
第四步，疊層成形。

因此，3D打印技術，學名又叫“增材制造”、“快速成形技術”。與3000年歷史的傳統(tǒng)制造業(yè)中的等材制造和減材制造不同，僅有30余年歷史的3D打印遵從加法原則，可直接將計算機中的設計轉化成模型，省去了傳統(tǒng)制造中需要刀具、夾具和機床的麻煩。

盡管3D打印技術的材料價格遠高于傳統(tǒng)制造工藝，但其材料利用率、制造周期和制造過程中的裝配成本、產品的運營成本較傳統(tǒng)制造工藝來說大大減少。該技術被認為是“20 世紀末制造技術領域的一次重大突破”，并有可能成為21 世紀的主流制造技術！

3D打印的優(yōu)勢有八個字：制造簡化、超越傳統(tǒng)。它能將制造工藝化繁為簡，步驟從N到1。以航空中使用到的LEAP-1C噴射引擎噴油嘴為例，傳統(tǒng)的制造工藝制造起來非常復雜，需要通過焊接、鉚接等一系列步驟才能完成，但3D打印技術可一次成型，且在使用壽命上具有不可替代的優(yōu)勢。

還有一種部件結構，外壁為實心，外壁的內部為空心，內部又是一個空心結構，這種復雜的結構傳統(tǒng)工藝極難實現(xiàn)，但通過3D打印技術只需一次即可完成。

如果說傳統(tǒng)鑄造是做大鍋菜：大量制造，以量制價，那么數(shù)字化制造的3D打印便是小鍋菜，小量生產，成本均一，可以實現(xiàn)定制化生產。作為智力密集型產業(yè)的3D打印企業(yè)已經在各國市場所在地設廠，隨時響應市場需求。

如今，3D打印技術已覆蓋航空、兵器、汽車和生物醫(yī)用產業(yè)。美國、歐洲、日本和中國都將3D打印技術作為國家戰(zhàn)略之一，制定國家增材制造產業(yè)的發(fā)展計劃。

最難的航空3D打印“魚”和“熊掌”如何兼得？

3D打印由設備、軟件、材料等三部分組成，其中材料是不可或缺的環(huán)節(jié)，而現(xiàn)在業(yè)界主要研究的是設備和軟件，對材料研究還不夠重視。

3D打印的發(fā)展離不開打印材料的支持，好的打印材料應具備四個方面的特點：其一，耗材無毒、環(huán)保；其二，材料性能要穩(wěn)定，能夠滿足打印機持續(xù)可靠運行；其三，材料功能應該是越來越豐富，例如現(xiàn)在已對部分材料提出了導電、水溶、耐磨等要求；其四，經濟性要好，客戶用得起。在航空3D打印專用粉末應用中，對其粒度、尺寸分布、球形度、氧含量、純度等方面均有嚴格的要求。

因此業(yè)內人士普遍認識到，材料瓶頸已成為限制3D打印發(fā)展的首要問題。尤其是在民用工業(yè)中應用最為廣泛的鐵基、鋁基金屬粉末、高端領域所用的鈦基、鈷基金屬粉末和高性能3D打印專用金屬材料已成為研究的熱點。

同時，由于飛機服役環(huán)境的復雜性和與其他領域相比更長的設計壽命，加上不同飛機部件對性能的不同需求（例如飛機的發(fā)動機部件對高溫性能要求極高；起落架的主要性能需求卻集中在抗沖擊、抗腐蝕；而飛機的主結構又強調對強度和疲勞壽命方面的滿足），因此航空3D打印可以說是所有3D打印技術中最難的。

航空3D打印的中國故事才剛剛開始：需要一個聯(lián)合艦隊

除了材料的瓶頸需要突破之外，這一3D打印技術中最難的領域，在材料制備上還存在著瓶頸。如今3D打印金屬粉體制備常使用“氣體霧化法”和“旋轉電極霧化法”。

前者利用高速氣流粉碎液態(tài)金屬流制備粉末，生產成本低，適合大規(guī)模工業(yè)生產，但難以生產粒徑極小的粉末；后者適合所有金屬粉末的制備，氧含量低，球形度高，流動性好，但幾乎不可能生產粒徑小于50微米的粉材。而這兩種方法均無法完全解決航空3D打印技術材料制備上的難題。

此外，在制造過程中，大量的基礎研究課題和技術瓶頸尚亟待解決：如何實現(xiàn)完全熔化與組織控制？如何抑制微觀孔洞、晶粒取向生長？如何限制構件系統(tǒng)誤差……

潘登認為，盡管3D打印在航空領域想象空間巨大，但在攻關過程中，除了每一步都精益求精，更加需要一種“笨工匠精神”。更重要的是，“需要不同領域的企業(yè)和科研院所組成聯(lián)合艦隊，摒棄門戶觀念，協(xié)同努力，強強聯(lián)合，共同突破這些技術瓶頸。”潘登強調。

可以預見，不久的將來，在中國的第二架、第三架國產大飛機上，能實現(xiàn)更多的3D打印部件，續(xù)寫3D打印技術在中國航空領域的故事。

來源：科學家在線