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我国首批“青千”潘登教授:续写航空3D打印的中国故事

导读: 结构复杂的航空部件制造如何能化繁为简,一次成形?传统的部件制造材料利用率仅5%,可以提高到85%?哪种技术工艺可将部件制造周期由24个月缩短至3个月,并且大大延长使用寿命,节约上百万人民币的维修成本?答案是,3D打印。

结构复杂的航空部件制造如何能化繁为简,一次成形?

传统的部件制造材料利用率仅5%,可以提高到85%?

哪种技术工艺可将部件制造周期由24个月缩短至3个月,并且大大延长使用寿命,节约上百万人民币的维修成本?

答案是,3D打印

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潘登教授是美国约翰霍普金斯大学博士,先后入选中组部第一批“青年千人计划”、教育部“新世纪优秀人才”支持计划、上海市“东方学者”特聘教授,现任浙江清华长三角研究院特种金属研究中心主任、上海市高校“金属基先进电力材料”重点实验室主任。

故事要从5月5日我国首架国产大飞机C919试飞成功开始说起,这架大飞机的首飞圆了国人自住制造的梦想,此外还有一个不得不说的亮点便是开启了增材制造技术在国内航空领域的应用时代:简单来说就是大飞机上应用了3D打印技术制造的若干功能件,这在国内尚属首次。

尽管和传统的铸锻和机加工技术相比,3D打印技术用的材料成本高,但仅就航空领域而言,单个结构件在制造过程的装配成本和生命周期的运营成本可以节省上百万人民币,绝对是个“稳赚不赔”的生意。中国3D打印与航空领域的故事,才刚刚开始。

“小锅菜”的定制生产 一步到位的制作工艺

3D打印技术是一种全新的制造方法,其思想突破了传统的材料变形成形和去除成形的原理。利用这种方法可在没有工装夹具或模具的条件下,迅速制造出任意形状复杂的三维实体零件。只需4步,便可制作一个3D打印产品。

第一步,计算机建模;

第二步,将模型层化,也就是把三维的模型变成二维;

第三步,把模型信号输入打印机,逐层打印;

第四步,叠层成形。

因此,3D打印技术,学名又叫“增材制造”、“快速成形技术”。与3000年历史的传统制造业中的等材制造和减材制造不同,仅有30余年历史的3D打印遵从加法原则,可直接将计算机中的设计转化成模型,省去了传统制造中需要刀具、夹具和机床的麻烦。

尽管3D打印技术的材料价格远高于传统制造工艺,但其材料利用率、制造周期和制造过程中的装配成本、产品的运营成本较传统制造工艺来说大大减少。该技术被认为是“20 世纪末制造技术领域的一次重大突破”,并有可能成为21 世纪的主流制造技术!

3D打印的优势有八个字:制造简化、超越传统。它能将制造工艺化繁为简,步骤从N到1。以航空中使用到的LEAP-1C喷射引擎喷油嘴为例,传统的制造工艺制造起来非常复杂,需要通过焊接、铆接等一系列步骤才能完成,但3D打印技术可一次成型,且在使用寿命上具有不可替代的优势。

还有一种部件结构,外壁为实心,外壁的内部为空心,内部又是一个空心结构,这种复杂的结构传统工艺极难实现,但通过3D打印技术只需一次即可完成。

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如果说传统铸造是做大锅菜:大量制造,以量制价,那么数字化制造的3D打印便是小锅菜,小量生产,成本均一,可以实现定制化生产。作为智力密集型产业的3D打印企业已经在各国市场所在地设厂,随时响应市场需求。

如今,3D打印技术已覆盖航空、兵器、汽车和生物医用产业。美国、欧洲、日本和中国都将3D打印技术作为国家战略之一,制定国家增材制造产业的发展计划。

最难的航空3D打印“鱼”和“熊掌”如何兼得?

3D打印由设备、软件、材料等三部分组成,其中材料是不可或缺的环节,而现在业界主要研究的是设备和软件,对材料研究还不够重视。

3D打印的发展离不开打印材料的支持,好的打印材料应具备四个方面的特点:其一,耗材无毒、环保;其二,材料性能要稳定,能够满足打印机持续可靠运行;其三,材料功能应该是越来越丰富,例如现在已对部分材料提出了导电、水溶、耐磨等要求;其四,经济性要好,客户用得起。在航空3D打印专用粉末应用中,对其粒度、尺寸分布、球形度、氧含量、纯度等方面均有严格的要求。

因此业内人士普遍认识到,材料瓶颈已成为限制3D打印发展的首要问题。尤其是在民用工业中应用最为广泛的铁基、铝基金属粉末、高端领域所用的钛基、钴基金属粉末和高性能3D打印专用金属材料已成为研究的热点。

同时,由于飞机服役环境的复杂性和与其他领域相比更长的设计寿命,加上不同飞机部件对性能的不同需求(例如飞机的发动机部件对高温性能要求极高;起落架的主要性能需求却集中在抗冲击、抗腐蚀;而飞机的主结构又强调对强度和疲劳寿命方面的满足),因此航空3D打印可以说是所有3D打印技术中最难的。

航空3D打印的中国故事才刚刚开始:需要一个联合舰队

除了材料的瓶颈需要突破之外,这一3D打印技术中最难的领域,在材料制备上还存在着瓶颈。如今3D打印金属粉体制备常使用“气体雾化法”和“旋转电极雾化法”。

前者利用高速气流粉碎液态金属流制备粉末,生产成本低,适合大规模工业生产,但难以生产粒径极小的粉末;后者适合所有金属粉末的制备,氧含量低,球形度高,流动性好,但几乎不可能生产粒径小于50微米的粉材。而这两种方法均无法完全解决航空3D打印技术材料制备上的难题。

此外,在制造过程中,大量的基础研究课题和技术瓶颈尚亟待解决:如何实现完全熔化与组织控制?如何抑制微观孔洞、晶粒取向生长?如何限制构件系统误差……

潘登认为,尽管3D打印在航空领域想象空间巨大,但在攻关过程中,除了每一步都精益求精,更加需要一种“笨工匠精神”。更重要的是,“需要不同领域的企业和科研院所组成联合舰队,摒弃门户观念,协同努力,强强联合,共同突破这些技术瓶颈。”潘登强调。

可以预见,不久的将来,在中国的第二架、第三架国产大飞机上,能实现更多的3D打印部件,续写3D打印技术在中国航空领域的故事。

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