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      金屬3D打印技術(shù)助力工業(yè)制造轉(zhuǎn)型升級

      3D打印3.07米高鈦合金材質(zhì)C919中央翼緣條

      2019年02月14日 9:12 6300次瀏覽 來源:   分類: 鈦資訊

         站在那根3.07米高的C919中央翼緣條前,殲20總工程師楊偉久久凝視……讓他特別感慨的是,這是一根用我國擁有完全知識產(chǎn)權(quán)的金屬3D打印技術(shù),“打印”出來的國產(chǎn)大飛機零部件。
        尖端科技之花在產(chǎn)學(xué)研后“紅”
        這根鈦合金材質(zhì)的C919中央翼緣條,尺寸3.07米,重量196千克,于2012年1月打印成功,同年通過商飛的性能測試,2013年成功應(yīng)用在國產(chǎn)大飛機C919首架驗證機上。
        這是國產(chǎn)機型首次在設(shè)計驗證階段,利用3D打印技術(shù)制備承力部件,在國際民機的設(shè)計生產(chǎn)中亦屬首次。更重要的是,作為機翼關(guān)鍵部件,以我國當(dāng)時的制造能力,還無法鍛造出這樣超大尺寸的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件。而如果向國外采購,又勢必影響大飛機的國產(chǎn)化率。
        “金屬3D打印技術(shù),為鈦合金零部件的加工提供了新的技術(shù)途徑,也為中國的航空制造打開了一扇新窗。”該技術(shù)研發(fā)人、西北工業(yè)大學(xué)教授黃衛(wèi)東告訴筆者。
        “3D打印”學(xué)名“增材制造技術(shù)”,原理是將計算機設(shè)計出的三維模型分解成若干層平面切片,然后把要“打印”的材料按切片圖形逐層疊加,最終“堆積”成完整的物體。
        為C919制造中央翼緣條,是金屬3D打印技術(shù)在航空領(lǐng)域應(yīng)用的典型。黃衛(wèi)東及其團隊?wèi)?yīng)用該技術(shù)所打印出的金屬材料和零部件,目前已廣泛應(yīng)用于我國的導(dǎo)彈、飛機、火箭、衛(wèi)星、航空發(fā)動機等領(lǐng)域,僅為國產(chǎn)各類飛機就制備了近兩萬個零部件,其中絕大部分已裝機使用。
        早在上世紀(jì)90年代初,黃衛(wèi)東就關(guān)注起了能夠快速成形、快速進行原型制造的“3D打印技術(shù)”。在他的西北工業(yè)大學(xué)本科同班同學(xué)、企業(yè)家折生陽的出資支持下,他持續(xù)20多年鉆研金屬3D打印技術(shù),并不斷取得重大突破。
        2011年7月,應(yīng)中國商飛經(jīng)營合作要求,西北工業(yè)大學(xué)與折生陽、黃衛(wèi)東共同組建了由西北工業(yè)大學(xué)技術(shù)控股的股份制企業(yè)——西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司。西北工業(yè)大學(xué)和黃衛(wèi)東出技術(shù),折生陽等出資金,黃衛(wèi)東任董事長,折生陽為副董事長。
        產(chǎn)權(quán)明晰,責(zé)權(quán)利清晰的校企合作,促使這一尖端成果加速實現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研融合。其最具標(biāo)志性的成果,正是那根3.07米高的C919中央翼緣條。
        回憶起這件“緣條”,黃衛(wèi)東等人至今印象深刻。2011年年初,“課題組”接到要為C919打印中央翼緣條任務(wù)。他們奮力拼搏、日夜鏖戰(zhàn),不到1年時間,在廢舊教學(xué)實驗廠房里建成了現(xiàn)代化工廠,研制出金屬3D打印專用設(shè)備,完成了一系列要求極高的性能測試工作,同時組建西安鉑力特公司,并趕在2012年年初完成了打印緣條的準(zhǔn)備工作。
        此后,團隊20多人加班加點,與時間賽跑,終于趕在2012年1月22日上午,一次性成功打印完成了第一件C919中央翼緣條。“那天正逢大年三十。”當(dāng)天中午,西北工業(yè)大學(xué)周堯和院士激動地宴請攻堅團隊吃了頓團圓飯,“團圓飯從中午一直吃到大年三十晚上,大多數(shù)人都喝多了!”吃完飯、喝完酒,已是新年的大年初一,團隊成員趙曉明才想起還沒置辦年貨。
        公司化后,黃衛(wèi)東團隊的金屬3D打印技術(shù)在科研上突飛猛進,產(chǎn)業(yè)化也進展神速。2018年,這一技術(shù)為中國商飛、中航工業(yè)、中國航發(fā)、中國航天科工、中國航天科技等200多家單位,增材制造超過3萬件金屬零件,批量應(yīng)用于一批先進的飛機、發(fā)動機、火箭和衛(wèi)星等國家重大任務(wù)。
        行業(yè)翹楚引得“空客”來
        2017年3月,在上海舉行的亞洲3D打印、增材制造博覽會上,一件超大尺寸的航空發(fā)動機葉片吸引了參觀者的目光。
        這件933厘米的零件,是目前世界上SLM(鋪粉方式)技術(shù)打印的一次成形尺寸最大的鈦合金零件。葉片重量與同尺寸碳纖維復(fù)合材料葉片相當(dāng),但側(cè)向性能更好,整體化成形也使得零件的可靠性大大提高。
        航空發(fā)動機關(guān)鍵零部件,傳統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn)難度極高。黃衛(wèi)東團隊的金屬3D打印技術(shù),做到了簡單化生產(chǎn),只需電腦設(shè)計好打印程序,按切面一層層打印即可。
        黃衛(wèi)東告訴筆者,金屬3D打印技術(shù)的優(yōu)勢,一是幾乎能制造出任何復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件,非傳統(tǒng)技術(shù)可比;同時,其輕量化、拓撲優(yōu)化的特點,又能為材料實現(xiàn)可觀的減重,這在對重量“斤斤計較”的航空航天領(lǐng)域尤其重要。
        另外,航空航天零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂,一旦出現(xiàn)瑕疵或缺損,只能整體更換,可能造成不可估量的損失。但通過金屬3D打印技術(shù),就可用同一材料將缺損部位修補成完整形狀,修復(fù)后的性能不受影響,大大節(jié)約了時間和金錢。
        與此同時,他們還開發(fā)出激光金屬3D打印商用設(shè)備,這使鉑利特公司不僅成為目前國內(nèi)最大的金屬3D打印零件加工商,也成了技術(shù)最領(lǐng)先的金屬3D打印高端設(shè)備制造商。
        “我們只和全世界最優(yōu)秀的團隊合作”。2014年3月,歐洲空中客車公司與西北工業(yè)大學(xué)和鉑力特簽署合作協(xié)議,共同開發(fā)激光立體成形技術(shù)(激光3D打印技術(shù)的一種)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用。
        空客主動找上門來要求合作,一是看中公司有“最優(yōu)秀”的科研團隊,二是看中公司有“最優(yōu)秀”的運營團隊。
        鉑力特公司技術(shù)來源于西北工業(yè)大學(xué),依托西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點實驗室和激光制造工程中心,科研實力雄厚;擁有一支高精尖科研精英團隊,研發(fā)人員占全員的40%,超過30%的員工擁有碩士以上學(xué)歷。
        鉑力特公司的運行機制獨樹一幟。雖然西北工業(yè)大學(xué)和黃衛(wèi)東擁有的共同技術(shù)股份占51%,黃衛(wèi)東出任公司董事長,但公司實際控制人是懂企業(yè)會經(jīng)營的折生陽。折生陽擁有公司重大事項一票否決權(quán),把握著公司的運營方向。
        “讓教授干教授的事情,讓企業(yè)家干企業(yè)家的事情。”既當(dāng)過科研人員、又當(dāng)過科技管理干部、已下海營商20多年的折生陽這樣說。在公司發(fā)生重大爭議時,折生陽的“最后一票”尤顯重要。
        當(dāng)年,在生產(chǎn)出激光金屬3D打印設(shè)備后,多數(shù)人都認為不應(yīng)該將自家的這一“聚寶盆”推向市場讓與他人。折生陽從企業(yè)長遠發(fā)展角度認為應(yīng)該賣,先共同把市場做大,企業(yè)也能多條腿走路。激烈爭吵之后,折生陽運用自己的一票否決權(quán),大膽推動公司將設(shè)備推向市場,這也才有了這些設(shè)備在眾多單位和企業(yè)的熱銷,并成功出口法德,享譽歐洲。
        2018年,鉑力特通過了空客公司IPCA認證,啟動了空客A330增材制造項目,成為空客亞洲區(qū)唯一的金屬增材制造合格供應(yīng)商。同年8月,空客又與西北工業(yè)大學(xué)和鉑力特分別簽署聯(lián)合科研合作協(xié)議,三方進入聯(lián)合研發(fā)時代。
        讓設(shè)計更自由,讓制造更簡單
        2014年,殲20總師楊偉來西北工業(yè)大學(xué)專程考察金屬3D打印技術(shù)。在那根3.07米高的C919中央翼緣條旁,一同展出的還有專為殲20試制的部分金屬3D打印零部件。楊偉看了又看,摸了又摸,感慨萬千。
        楊偉之所以震撼于金屬3D打印技術(shù),是因為設(shè)計歷來都要受限于生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)工藝。拿飛機設(shè)計來說,即使有再好的空氣動力學(xué)設(shè)計、再好的綜合性能設(shè)計,如果沒有一家公司能生產(chǎn)出來,沒有一個工廠能加工出適配的零部件,再好的設(shè)計都是白搭——金屬3D打印技術(shù)已經(jīng)解決和正在解決這一難題。
        人類制造,從原始人打制石器最早開端。這也正是持續(xù)百萬年一直到今天的“減材制造”,即不斷把多余的部分去掉。機械制造時代的切、割、鉆、銑等工藝,包括精密的數(shù)控機床冷加工都是“減材制造”。有了火之后熱加工的鍛、打、錘、敲等制造屬于“等材制造”,最典型最簡單的就是鐵匠打鐵。
        無論是減材制造還是等材制造都有局限性:一是無法整體加工復(fù)雜零部件,都是先生產(chǎn)出一個個不同結(jié)構(gòu)的零件,然后再或鉚或焊、或連或接,耗時耗工;二是根本無法加工超異形超復(fù)雜超薄壁結(jié)構(gòu)體;三是難以為零部件減重。
        而這些,金屬3D打印技術(shù)都可以克服。“可能有一天,我們甚至?xí)w打印出一套完整的航空發(fā)動機。”團隊成員、公司總工程師趙曉明激情澎湃。
        相比減材制造和等材制造,增材制造無疑是一場巨大的革命。
        黃衛(wèi)東說,在C919的設(shè)計驗證階段,中央翼緣條的成功試制貢獻巨大,傳統(tǒng)工藝6個月才能完成的制造工作,用金屬3D打印技術(shù)耗時僅僅5天,并且一次成形,一次成功,金屬原料鈦合金涂層粉末,更是幾乎沒有半點浪費。
        黃衛(wèi)東的博士生、鉑力特總經(jīng)理薛蕾說,金屬3D打印出的蜂窩狀金屬結(jié)構(gòu)體,因良好的力學(xué)性能,輕量化、拓撲優(yōu)化的特點,可以廣泛應(yīng)用于對材料要求極其嚴(yán)苛的航空航天航發(fā)領(lǐng)域。比如,替代傳統(tǒng)技術(shù)所生產(chǎn)的機翼、機身材料,在堅固結(jié)實的同時,大大地減輕航空航天器材自重,設(shè)計人員就無需再經(jīng)常為減重而不得不犧牲飛機性能,犧牲武器掛載。
        薛蕾介紹,他們目前在航空航天航發(fā)領(lǐng)域打印的兩萬余件零部件,在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化和功能提升的同時,均實現(xiàn)了整體結(jié)構(gòu)減重,最高減重超過60%。
        “金屬3D打印正在創(chuàng)造一個宏大的新世界,今天,這個宏大的新世界僅僅是展現(xiàn)出一抹晨曦。”在黃衛(wèi)東看來,熱加工的發(fā)明,使人類從“石器時代”進入“金屬器時代”,冷加工的發(fā)明則推動人類進入“復(fù)雜機械時代”,而增材制造必將促成人類制造能力的又一次大飛躍。
        “它將帶動人類進入全新的‘自由設(shè)計時代’,并從根本上轉(zhuǎn)變制造方式,推動社會產(chǎn)生更進一步的巨大變革。”黃衛(wèi)東和薛蕾告訴筆者,革命性的金屬3D打印技術(shù)將“讓設(shè)計更自由、讓制造更簡單”,將彌補我國傳統(tǒng)金屬加工業(yè)的短板和不足,助力中國工業(yè)制造完成從“機械加工”到“智能制造”的轉(zhuǎn)變。

      責(zé)任編輯:淮金

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