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国产飞机C919冲上云霄 3D打印功在何处

  2015年11月2日,一个被中国航空史铭记的日子,国产大飞机C919首架原型机正式总装下线!标志着中国实现了多年的“大飞机”梦想!

  “大型客机研发和生产制造能力是一个国家航空水平的重要标志,也是一个国家整体实力的重要标志。制造大飞机承载着几代中国人的航空梦。”——习近平“大飞机梦”是中国传承了几代人的航空梦想,大飞机作为一国科技水平和工业实力的集中体现,战略意义非凡!C919大型客机的正式下线,对中国大飞机的制造甚至是高端制造业都有着划时代的意义,它向世界正式宣告中国可以自主生产大型客机了。

 

 国产大飞机C919

  一架大飞机约有400万个零部件,据了解,本次下线的C919大型客机部分部件采用的是目前比较热捧的3D打印技术。大飞机是一个系统化的工程,其中涉及到非常多的技术和工艺,相对于传统的制造技术,3D打印技术进入航空制造业也是一种全新的尝试。那么,3D打印与本次下线的C919有着怎样的“前世今生”呢?

  大飞机C919中央翼条为3D打印

  中航工业的资料显示,从2001年起,我国就开始重点发展以钛合金构件激光快速成型技术为主的激光3D打印技术。其中,于2012年10月至11月首飞成功的机型,广泛使用了3D打印技术制造的钛合金主承力部分,包括整个前起落架。

  

中国展示国产3D打印钛合金战机零件

  2014年11月11日在广东珠海举行的第十届中日国航展上一件展品备受关注。当时在展馆现场,国内金属3D打印厂商西安铂力特激光成形技术有限公司,带来了一款C919客机缘条零件,这个零部件十分引人关注,因为该部件采用的正是3D打印技术。

  C919客机中央翼条长达3米,是大型钛合金构件,3D打印技术的融入直接解决了C919飞机钛合金结构件的制造问题,因此具有划时代的意义。同时,这一技术的应用也标志着我国在大飞机制造方面形成了具有自主知识产权的特色新技术。

  

增材制造原理简图

  传统的航空航天设备所需要的零部件往往需要单件定制,增材制造技术(即3D打印技术)的应用,拜托了传统模具制造研发周期长这一关键技术环节,而且,传统技术在生产零部件过程中会造成很多不必要的损耗,而3D打印所特有的增材制造原理,可以很好地利用原材料,使得原材料的利用率高达90%以上。

  再者,采用3D打印技术的零部件,配合以合适的热处理技术以后,零部件具有更高的刚度和更低的韧度。还有一点就是,一旦遇到零部件失效的情况,3D打印设备可以在当地直接生产,使得零部件的生产不再受到地域条件的限制。

  3D打印让设计师更为随心所欲

  一般来说,航空航天零部件结构复杂、制造成本高昂,一旦出现瑕疵或缺损,只能整体更换,可能造成数十万、上百万元的损失。而通过3D打印技术,可以使用同一种材料修补缺损部位,修复后的零部件性能不会受到影响,大大节约了时间和金钱。

  

SLA立体光固化成型工艺

  

SLA成型技术的工艺过程

  截至目前,已经比较成熟的3D打印技术通常分为4类:包括光固化技术、叠层实体制造技术,熔融沉积造型技术和激光烧结技术。而航空领域最前沿的技术为金属构件激光成型技术。该技术以合金粉末为原料,通过激光融化逐层堆积,从数字模型一步步完成大型复杂构件的成型。

  例如上文提到的国产大飞机C919,就以此技术为基础打造一些钛合金零件,主要用于飞机主风挡窗框、机翼、机体衔接部位。3D打印技术给工业带来的是正在变革的结构设计,有了这一技术,设计师不再被传统铸造行业的技术能力局限,可以尽情展现设计思维。在工业设计领域使用3D打印技术,企业的成本可大大降低。

  3D打印让“殖民火星”不是梦

  任何事物的发展都有两面性,说了这么多3D打印的好处,难道就没有缺陷可言?答案是否定的!3D打印其实也有它固有的弱点和缺陷,比如由于强度和质量问题,飞机的关键核心部件还难以使用3D打印。此外,3D打印的弊端还有,产品的外形不够精细,内部强度抗疲劳特性存在问题等。

  图为LocalMotors公司利用3D打印技术制造的第一辆电动车Strati,表面非常粗糙

  中国激光增材制造领域带头人、国家技术发明一等奖获得者王华明教授曾经表示,目前媒体上宣传的商业3D打印,仅仅是该技术中最简单的非金属模型打印,并不代表该项技术的发展方向。3D打印更高应用是在国防大工业的高性能金属构件生产方面,在家庭中主要用在娱乐方面,比如打印个人模型、玩具等,至于说其他方面作用不大。此外,由于打印精度不够高,即使打印人体石膏等这类简单产品,都不能展现人体面部表情。其它打印的尼龙衣服、鞋子,也相当粗糙,穿着不是很舒服。

 

 美国科学家憧憬着3D打印能够帮助人类“殖民”火星

  总结:3D打印技术最初发展于80年代,从2010年开始在商业领域得到推广和应用。虽说目前在实际应用的过程中因为一些原因尚未得到普及,但是未来的发展前景非常光明。目前,3D打印技术在飞机的设计、制造和维护过程中使用频率越来越高,不仅仅在中国,全球主要发达国家对3D打印技术的投入也越来越多,比如,NASA正尝试利用3D打印技术制造航天器的发动机部件,甚至一些专家憧憬着3D打印能够帮助人类实现“殖民”火星的愿望。

 

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