黃衛(wèi)東：國產(chǎn)大飛機C919, 3D打印大顯身手
當下3D打印技術應用的主要領域就是包括國產(chǎn)大飛機零部件、艦載機起落架等重要核心零部件在內(nèi)的航空航天。西北工業(yè)大學凝固技術國家重點實驗室，是我國3D打印技術研發(fā)最出色的單位之一，主要發(fā)展名為“激光立體成形”的3D打印技術。該技術通過激光融化金屬粉末，幾乎可以“打印”任何形狀的產(chǎn)品。其最大的特點是，使用的材料為金屬，“打印”的產(chǎn)品具有極高的力學性能，能滿足多種用途。
隨著航空航天技術的發(fā)展，零件構(gòu)造越來越復雜，力學性能要求越來越高，重量要求卻越來越輕，通過傳統(tǒng)工藝很難突破，而3D打印則可以滿足這些需求。為國產(chǎn)大飛機C919制造中央翼緣條，是3D打印技術在航空領域應用的典型。C919的中央翼緣條是一個長達3米的大型鈦合金結(jié)構(gòu)件。作為機翼的關鍵部件，以我國現(xiàn)有制造能力依然無法滿足需求。如果向國外采購，勢必會影響大飛機的國產(chǎn)化率。西北工業(yè)大學與中國商用飛機有限公司合作，應用激光立體成形技術解決了C919飛機鈦合金結(jié)構(gòu)件的制造問題。
黃衛(wèi)東，西北工業(yè)大學教授
激光立體成形制造成本與國外鍛壓制造成本相差不多，但最重要的是形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)特色的新技術。這項技術在航空航天發(fā)動機等關鍵部件的制造上也得到了運用。
西工大3D打印技術對零部件的修復也可謂獨樹一幟。航空航天零件結(jié)構(gòu)復雜、成本高昂，一旦出現(xiàn)瑕疵或缺損，只能整體更換，可能造成上百萬損失。而通過3D打印技術，可以用同一材料將缺損部位修補成完整形狀，修復后的性能不受影響，大大節(jié)約了時間和金錢。
3D打印技術正在成為發(fā)達國家實現(xiàn)制造業(yè)回流、提升產(chǎn)業(yè)競爭力的重要載體。可以說，新一輪的全球制造業(yè)競爭，極有可能是3D打印與機器人等高端裝備的競爭。以3D打印為代表的數(shù)字化、智能化制造以及新型材料的應用將重塑制造業(yè)和服務業(yè)的關系，重塑國家和地區(qū)，重塑經(jīng)濟發(fā)展格局，加快第三次工業(yè)革命的進程。
當下，無論是航空航天、原型制造、醫(yī)療、創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)還是時尚、建筑產(chǎn)業(yè)，都在被3D打印技術這種顛覆傳統(tǒng)的制造方式、全新理念和創(chuàng)新技術所喚醒。
鎖紅波：直面國內(nèi)外增材制造技術差距
增材制造是一種根據(jù)三維數(shù)據(jù)將材料連接以制造物體的過程，相對于傳統(tǒng)的“減材”制造，它通常是逐層累加過程，由此衍生出了一系列金屬、非金屬、生物制造的技術。在這么多技術中，哪一種在軍工領域需求最為迫切、應用最為廣泛是我們最關注的問題。
對比在國防軍工領域主要應用的增材制造方法，目前使用最多的、需求最迫切的還是激光、電子束、等粒子弧等金屬直接制造技術。這金屬直接制造技術中，航空應用按使用對象不同，大致可分為兩大類。一類是大型承力結(jié)構(gòu)的高效成形技術，第二大類是小型復雜功能結(jié)構(gòu)的精密成形技術。事實上，包括電子成型和激光成型這類的金屬成型技術，它的源頭是連接技術。任何可控的熱源，能夠把材料連接在一起，都可以稱之為增材制造技術。
鎖紅波，中航工業(yè)北京航空制造工程研究所增材制造部部長
在大型承力結(jié)構(gòu)的高效成型技術中，發(fā)展較好的一種是激光直接沉積成形技術（DMD）。它的原理是在惰性氣體氛圍中，激光熔化同步送進的金屬粉末，進入融池并逐層堆積制造零件。主要用于修復大結(jié)構(gòu)的成形，同時也能用于修復小結(jié)構(gòu)。另一種則是電子束熔絲沉積成形技術（EBF3），這種技術在國內(nèi)研究較少，在美國相對知名度較高。它的原理是在真空環(huán)境下，用電子束融化同步送進的金屬絲材進入融池堆積成形。
兩種技術對比之下，電子束成形速度是激光技術的幾倍，且電子束在真空中成形，不存在雜質(zhì)污染的問題。總結(jié)而言，兩種技術制造的都是零件毛坯，后續(xù)還需要機械加工，電子束熔絲沉積成形具有速度快、內(nèi)部質(zhì)量高的特點，適用于大型結(jié)構(gòu)的高效、低成本制造。
第二大類中小型復雜功能結(jié)構(gòu)的精密成形技術分為激光選區(qū)熔化技術（SLM）和電子束選區(qū)熔化技術（EBM），它們選取融化的熱源不同，前者是在氬氣保護環(huán)境中，后者則是在真空保護環(huán)境中，制造出的零件僅需表面拋光，甚至無需處理就可以使用。
除在軍工領域外，我們也結(jié)合航空制造的需求，列出了增材制造對武器裝備的促進作用。
首先，增材制造技術能夠促進設計思想的革命，支撐全新的設計理念。我們常遇到設計人員在設計前先詢問是否能實現(xiàn)設計？用哪種技術來實現(xiàn)？現(xiàn)在增材制造很大程度上能減小因工藝制造或結(jié)構(gòu)的復雜程度帶給設計者的束縛。舉例來說，以前飛機的一個零件、一個機體結(jié)構(gòu)，需要數(shù)十個零件組成，還需考慮裝配、連接、加工等一系列問題。現(xiàn)在通過增材制造，可以把數(shù)十個零件組建成一個零件。我們的目標就是把整個飛機的后機身用一個零件完成。
其次是可以實現(xiàn)先進的“混合制造”思想。實際上最早的增材制造來源于混合制造。例如國內(nèi)通過數(shù)控技術加工的飛機零件，國外通過混合制造工藝，能大大提高加工效率，保證質(zhì)量的同時也提升了競爭力。
第三則是可以實現(xiàn)快速反應，敏捷制造。增材制造技術無需預投工裝模具，加工柔性良好，反應敏捷可即時調(diào)整制造方案，實現(xiàn)快速響應制造。許多原本要花費長時間制造的飛機，利用增材制造技術，在短短1-2年內(nèi)就可以起飛。最后一點，也是最常見的一點就是實現(xiàn)缺損零件的修復。
針對國外應用領域的情況而言，政府的高度重視以及需求的逐步擴大，致使增材制造技術發(fā)展迅猛且實力突出。據(jù)了解，歐洲于2007年成立了“大型航空零件快速制造中心”，積極推動了增材制造技術在航空領域的應用。美國在此方面也制定了大量的戰(zhàn)略部署，成立了增材創(chuàng)意制造中心。另外，歐洲國家的小型結(jié)構(gòu)精密增材制造技術已處于世界領先水平，空客、羅•羅、EADS等公司在飛機及發(fā)動機上已有應用。
而在國內(nèi)，我們的總體技術水平處于模型制作向零部件直接制造過渡的態(tài)勢，在直接制造高性能塑料盒金屬零件方面發(fā)展非常迅猛，總體上有很大的上升空間。增材制造技術也在典型的關鍵領域中開展了局部應用。例如，北航、西工大等已實現(xiàn)多種激光成形結(jié)構(gòu)件在軍機、C919客機等多個型號上的裝機驗證和應用。
但與國外相比仍存在一些差距，這些差距是需要我們直視并面對的。首先是缺乏理論研究，我們主要關注于應用，理論研究則主要集中于高校，在廣度和深度上都比較欠缺。二是關鍵共性技術研究不足。三是對材料的研究薄弱，先進材料大多為國外研制。四是整體裝配性能低于國外水平，大部分增材制造工藝裝備國內(nèi)都有研制，但在成形精度和智能化程度上與國外相比有所差距。最后是核心元器件依賴國外進口，難以形成本土化產(chǎn)業(yè)。
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