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航空增材制造:为国防军事发力!

2015-09-10 14:32
风频浪劲
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  在国务院3D打印专题研讨会中李克强总理指出,推动中国制造由大变强,必需加快实施“中国制造2025”和“互联网 ”行动,在转变发展方式中培育中国制造竞争优势,让更多有生命力的前沿技术和新兴产业集群蓬勃发展,共同铸就中国制造业新辉煌。

  以“3D打印”为代表的“增材制造”对一般制造业来说,可能还是个新概念。但对航空制造业来说,“3D打印”并不陌生,早在30多年前就开始有人研究,现今已进入实际应用阶段。该项技术诞生30多年来,我国航空工业从业者积极跟踪研究,目前已经在原材料尤其是粉末冶金制备,复杂结构件制造,装机部件使用分析等领域走在国内前列,部分成果甚至达到世界先进水平。

  “3D打印”制造航空部件优势明显

  “3D打印”,即增材制造,是基于离散——堆积原理,采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术。目前最适用于高复杂度结构、极小批量航空航天等产业,被国内外公认为是对飞机、发动机等重大工业装备研制与生产具有重要影响的核心关键制造技术之一。

  据统计,采用切削加工技术,“减法”制造的大型航空零件材料利用率非常低,平均不超过10%,同时工装模具研制成本不断上升,传统制造方法越来越不能满足需求。以美国F-22飞机中尺寸最大的钛合金整体加强框为例,材料的利用率不到4.90%。不仅如此,传统方法对制造技术及装备的要求也十分高,通常需要大规格锻坯加工及大型锻造模具制造、万吨级以上的重型液压锻造装备,制造工艺复杂,生产周期长、制造成本高。

  相较而言,“加法”制造更能满足航空装备研制需求,通过“3D打印”高能束流增量制造技术,不但可以节省材料三分之二以上,减少数控加工时间一半以上,将研制成本,尤其是首件、小批量的研制成本大大降低。“3D打印”可将材料利用率提升至85%。GE公司曾利用“3D打印”把飞机发动机喷嘴上的20个零件合成了1个零件,提高燃油效率15%,相当于推动发动机前进了一代,而以往每开发一代发动机需要上亿欧元。

  更重要的是,对我国而言这种新型无模敏捷制造技术也让我们在保证研制速度、加快装备更新速度方面,有了缩小与发达国家差距的新机会。

  航空企业“3D打印”技术领先

  中航工业近年来一直致力于“3D打印”技术的研究,重点针对高端的金属材料“3D打印”技术开展技术攻关,从金属粉末到激光熔融设备,实现不同材质零件的直接制造,不少已经装机使用交付客户。

  “3D打印”的本质是材料的熔融再凝结。树脂高分子等普通材料的打印过程一般人都能理解,但金属材料的打印就不是一般人能想象,也不是一般企业能干的。

  制备高纯净度、高球形度、尺寸粒度可控的高品质金属粉末是“3D打印技术”及其产业化发展的首要条件。中航工业航材院“3D打印技术”中心拥有多年高温合金雾化制粉和钛合金雾化制粉技术经验,掌握了纯洁熔炼、纯净液体金属保温与导流、负压雾化、高效粉气分离等核心关键技术,配备了先进的雾化制粉设备和粉末检测分析设备,研制出高纯、低氧、粒度可控的镍基、钴基、铁基、钛基和钛铝基合金球形粉末,产品已广泛应用于“3D打印技术”领域,成为国内金属粉末的主要供应商。特别值得一提的是,中航工业航材院采用3D打印技术制备出陶瓷颗粒增强金属基复合材料、可工程应用的TiAl/Ti梯度材料,材料硬度、强度均有显著提高;打印了材料、结构、功能一体化的耐热/控热结构,结构强度、刚度、完整性显著优于传统材料制件。

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