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 3D 打印技术在航空制造领域的发展初探

       3D 打印技术作为一项快速成形技术,一经问世便受到社会的广泛关注,如今更成为各国争相追捧的对象。随着 3D 打印技术在各个领域的普及,人们越来越发现这种先进技术有着巨大的发展潜力和应用空间。在航空航天领域使用 3D 打印技术,也已成为世界各国的潮流。

       目前的 3D 打印技术通常包括固化成形技术、叠层实体制造技术、熔融沉积造型技术和激光烧结技术。在航空制造领域,高性能金属构件激光成形技术是最前沿的 3D 打印技术。该技术是以合金粉末为原料,通过激光熔化逐层堆积,从零件数模一步完成高性能大型复杂构件的成形。成形构件形状之复杂,节省材料程度之高,是传统铸造和机械加工方法难以企及的。

       中国航空制造业在 3D 打印技术上已经走在了前列,多个型号飞机使用了 3D 打印部件, 部分技术已经达到世界领先水平。

       1、设计与制造无缝连接

       贯穿飞机研发全过程使用传统制造方式生产飞机的零部件,其结构设计、材料选择、制造、维护等模块均是相互独立的,在此过程中,难免出现前后衔接不顺畅、返工或是拖延时间   等问题,而 3D 打印技术很好地解决了这一难题,它将以上过程融为一体,共享一个数据平台, 实时反馈各方面的意见,实现了设计与制造的无缝链接。目前 3D 打印技术在飞机的设计、制造和维护全过程中都得到有效应用。在研制阶段,可以通过 3D 打印技术制造等比例模型;在制造阶段,3D 打印技术可用于加工制造关键零部件;在维修过程中,可通过 3D 打印技术,用同一材料将缺损部位修补成完整形状,修复后的零件性能不受影响,大大节约了时间和金钱。

       2、激光打印大型钛合金构件问世,满足主承力要求

       2013 年 5 月,在第十六届中国北京国际科技产业博览会上,获得 2012 年度“国家技术发明奖一等奖”的飞机钛合金大型整体关键构件激光成形技术一经展出,备受瞩目。该技术使中国成为迄今世界上唯一掌握高性能大型金属零件激光直接制造技术并付诸应用的国家。经过多年的研究和探索,我国掌握了金属零件激光快速成形的关键工艺及组织性能控制方法, 提出原创性的“热应力离散控制”新方法,成功解决了大型钛合金构件在激光快速成形过程中严重翘曲和开裂的难题。此外,提出激光快速成形大型钛合金主承力结构件凝固晶粒尺寸、   晶粒形态和晶体取向主动控制新方法,诸多巨大突破使所成形的飞机钛合金结构件综合力学性能大大提升。北京航空航天大学王华明教授表明,激光打印的零件,等同甚至超过锻件的性能,抗疲劳性能比锻件高 32%~53%,疲劳裂纹扩展速率降低一个数量级。公开的材料表明,我国已经能够生产优于美国的激光成形钛合金构件。我国在飞机钛合金大型整体结构件激光快速成形方面取得的重要突破令美国震惊,F-22 战机的钛合金整体式承力框,曾经是世界上最大的一体式钛合金构件,但这已成为过去的纪录。迄今为止,我国已经用激光打印技术直接制造了 30 多种钛合金等大型复杂关键金属零件,在大型运输机、舰载机、C919 大型客机、歼击机等飞机中装机应用。

       3、材料损耗大大降低,提高战机钛合金的利用率

       航空工业 3D 打印技术使用的主要材料包括钛合金、铝锂合金、超高强度钢、高温合金等。这些材料基本都是强度高、不易成形加工、传统加工工艺成本高昂的类型。以军用飞机的关键材料钛合金为例,其以质轻、高强、耐高温、耐腐蚀等优异性能成为军用飞机的关键材料。为有效降低装备结构重量,提高装备性能、使用寿命和可靠性,飞机、航空发动机等装备越来越多地采用大型钛合金整体结构。然而,钛合金特殊的材料属性,给传统加工带来了巨大难度。采用整体锻造等传统方法制造大型钛合金结构件,工序长,工艺复杂。对制造技术和制造装备的要求高.成形技术难度大.不仅需要万吨级以上的重型液压

       锻造装备、大规格锻坯及大型锻造模具,而且即使加工出来,内应力和变形开裂的问题使其性能难以达标。因此.使用传统锻造技术造出的零件,尺寸往往控制在 4.5m 以内。除此之外,钛合金零件加工去除量大.数控加工时间长、材料利用率低、生产周期长、制造成本高。有资料显示,1t 钛合金要 40~50 万元,一个发动机叶盘,传统工艺制造近似于“雕刻”,最后剩下的只有 7%。这意味着 93%的原材料都被浪费。美国的 F 一 22 飞机中尺寸最大的钛合金整体加强框所需毛坯模锻件重达 2796kg.而实际成形零件重量不足144kg,造成大量的原材料损耗。钛合金传统加工的以上弊端,严重影响了其在航空制造领   域的应用.

       作为航空 3D 打印的前沿技术,激光快速成形改变了这一现状。中国利用激光打印直接制造 C919 飞机的中央翼根肋,传统锻件毛坯重达 1607 kg。而利用激光快速成形技术制造的精坯重量仅为 136 kg,节省了 91.5%的材料,经过测试,其性能优于传统锻件。钛合金激光成形技术凭借其造价低、速度快的特点,使中国生产的钛合金结构部件迅速成为中国航空力量的一项独特优势.目前.中国先进战机上的钛合金构件所占比例已超过 20%。4、3D 打印材料设备有限,有待重点研发目前。

       航空制造工业 3D 打印技术使用的主要材料仅限于钛合金、高温合金之类强度高、不易成形加工且传统加工工艺成本高昂的类型。发展全新材料,特别是复合材料、功能材料等将是当前及今后的研究热点之一。打印机作为 3D 打印技术的主要设备。其先进程度直接决定了该技术的成败。以激光快速成形技术为例目前我国所使用的激光器仍靠进口,这使该技术的研发进度受到限制.只有研发自己的大功率激光器.才能不受制于人,使发展进度最大化。冈此,加强 3D 打印设备的研发力度将成为今后的另一个研究热点。

       5、不可完全替代传统制造技术,两者应配合使用

       对于单件生产来说.3D 打印技术具有绝对优势.但对于大规模生产而言,铸造、锻造等传统制造方法仍不可替代,无论是成本,还是质量和稳定性,3D 打印技术都没有竞争力。所以就目前而言,3D 打印技术只在某些特定情况下使用。短时间内还无法完全代替传统加工制造技术。因此应合理配合,各取所长,实现效益最大化。与此同时.还应在现有基础上积极探索,不断拓宽 3D 打印技术的应用领域。

       总之,3D 打印技术的应用,大大加速了同产尖端战机的研发进度。相信随着 3D 打印技术的不断完善和成熟,中国航空制造业将会登上世界巅峰。


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