最大能制造15平方米零部件，中國(guó)激光3D打印厲害了

  這幾年，中國(guó)軍用航空業(yè)一直都處于“暴兵”狀態(tài)，從2011年底開(kāi)始，殲-20、運(yùn)-20、直-20、彩虹-4、翼龍-2相繼亮相，令人目不暇接。

  而且，大多數(shù)項(xiàng)目從立項(xiàng)到首飛的周期都在10年以內(nèi)，其中運(yùn)-20在2007年立項(xiàng)，到2013年即實(shí)現(xiàn)首飛，創(chuàng)造了一個(gè)奇跡。

  國(guó)產(chǎn)飛機(jī)的大批量研發(fā)和制造，固然有現(xiàn)代化數(shù)字設(shè)計(jì)制造手段進(jìn)步的因素在里面，但是更離不開(kāi)一件神器，那就是中國(guó)獨(dú)創(chuàng)的大型激光3D打印機(jī)。

  作為一件神器，大型激光3D打印機(jī)到底“神”在哪里，又是如何“打印”戰(zhàn)機(jī)機(jī)身框架的呢？讀完這篇文章 ，你就會(huì)明白。

  （一）傳統(tǒng)制造工藝成本高，不是鍛造機(jī)身框架的最佳選擇

  現(xiàn)代化的戰(zhàn)斗機(jī)由于需要進(jìn)行高機(jī)動(dòng)飛行，對(duì)機(jī)體承力機(jī)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度要求極高，而且要求結(jié)構(gòu)重量必須盡量得輕。

  從理論上講，機(jī)身框架結(jié)構(gòu)的整體性越好，減重效果越明顯，疲勞強(qiáng)度越高，通俗地說(shuō)，就是要求機(jī)身框架整體模鍛成型，盡量減少連接部分。

  因此，從第三代戰(zhàn)斗機(jī)開(kāi)始，很多國(guó)家都應(yīng)用鈦合金模鍛件做機(jī)身框架。

  下面就是美軍用于F-15戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)段機(jī)身隔框的鈦合金模鍛件，左圖為鑄造毛坯，右圖是鑄造毛坯通過(guò)4.5萬(wàn)噸模鍛壓機(jī)鍛造后的模鍛件。

  鈦合金具有強(qiáng)度高、塑性小的特點(diǎn)，對(duì)模鍛壓機(jī)的壓力要求非常高，鍛造手掌大小（150平方厘米左右）的鈦合金件就需要壓機(jī)噸位為1000噸的模鍛壓機(jī)。

  美國(guó)在利用4.5萬(wàn)噸模鍛液壓機(jī)和先進(jìn)潤(rùn)滑技術(shù)（可以降低模鍛變形抗力）的情況下，也只能把F-15戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)身隔框分兩半鍛造，然后進(jìn)行機(jī)加工后通過(guò)電子束焊接成一個(gè)整體。

  而且，這其中還涉及到大型鍛造模具的設(shè)計(jì)和制造，周期一般在1年左右，成本在幾千萬(wàn)人民幣。

  大型鈦合金鍛造模具需要很多的經(jīng)驗(yàn)積累，一次性成功的概率很低，一旦失敗重新開(kāi)模，不僅浪費(fèi)大量的金錢(qián)，還要浪費(fèi)1年時(shí)間。

  此外，鍛造毛坯還需要進(jìn)行數(shù)控機(jī)床加工，整個(gè)過(guò)程90%以上的材料要被切削掉，數(shù)控加工的周期一般都需要一個(gè)月以上，而最終的成品重量只有幾百公斤，價(jià)比黃金，代價(jià)非常高昂。

  可以看到，采用傳統(tǒng)制造工藝，即使一切順利的情況下，單單是一個(gè)機(jī)身隔框的制造周期都要接近兩年，更不要說(shuō)成本問(wèn)題了。

  那么，有沒(méi)有什么方法可以降低高昂的成本、減少加工制造周期，直接造出一個(gè)完整的機(jī)身框架出來(lái)呢？

  隨著激光3D打印技術(shù)的發(fā)展，這個(gè)問(wèn)題逐漸有了答案。

  （二）讓零件一層層“長(zhǎng)”出來(lái)，激光3D打印技術(shù)省去開(kāi)模周期和成本

  3D打印，又叫增材制造（Additive manufacturing），是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過(guò)擠壓、燒結(jié)、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，制造出實(shí)體物品的制造技術(shù)。

  相對(duì)于對(duì)原材料進(jìn)行去除、切削、組裝的傳統(tǒng)加工模式，這種技術(shù)在極小批量復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件制造領(lǐng)域擁有巨大的成本、周期和性能優(yōu)勢(shì)。

  目前市場(chǎng)上應(yīng)用最廣的是選擇性激光燒結(jié)（SLM）激光3D打印，其步驟如下：

  1、導(dǎo)入需要打印零件的數(shù)字模型并對(duì)模型進(jìn)行分層，將相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到3D打印機(jī)；

  2、打印室充入保護(hù)性氣體，防止打印過(guò)程中高溫金屬接觸空氣氧化形成缺陷；

  3、根據(jù)截面數(shù)據(jù)，打印機(jī)控制激光在鋪設(shè)好的粉末上方選擇性地對(duì)粉末進(jìn)行掃描照射，金屬粉末加熱到完全熔化后成型；

  4、工作臺(tái)降低一個(gè)單位的高度，一層新的粉末通過(guò)送粉結(jié)構(gòu)鋪撒在已成型的當(dāng)前層之上，設(shè)備調(diào)入新一層截面的數(shù)據(jù)進(jìn)行激光熔化，與前一層截面粘結(jié)，此過(guò)程逐層循環(huán)直至整個(gè)物體成型。

  可以看出，激光3D打印不需要模具，而是直接通過(guò)高能激光熔融金屬粉末讓零件一層層地“長(zhǎng)”出來(lái)，可以省去開(kāi)模的成本和周期。

  在打印小型零件時(shí)，激光3D打印的精度最高可以達(dá)到0.1毫米，打印大型零件的精度一般也在毫米級(jí)別，這大大超越了模鍛件的精度，后續(xù)機(jī)加工的余量可以減少90%以上，極大地減少了機(jī)加工的成本和周期。

  既然激光3D打印的優(yōu)勢(shì)如此明顯，那么西方發(fā)達(dá)國(guó)家為什么不用來(lái)制造鈦合金機(jī)身框架呢？

  這是因?yàn)?，目前市?chǎng)上的激光3D打印機(jī)能夠打印的零件最大尺寸一般不超過(guò)的發(fā)達(dá)國(guó)家1000 X 800毫米，但是戰(zhàn)斗機(jī)鈦合金機(jī)身框架的投影面積一般都超過(guò)了5平方米，而且有越來(lái)越大型化的趨勢(shì)，在打印過(guò)程中，鈦合金變形、斷裂等技術(shù)難題也越來(lái)越凸顯，像美國(guó)這樣的發(fā)達(dá)國(guó)家沒(méi)有攻克這些技術(shù)難關(guān)，不能生產(chǎn)滿足要求的大型激光3D打印機(jī)。

  與之相對(duì)的是，中國(guó)的鈦合金3D打印技術(shù)后來(lái)居上，逐漸突破了種種技術(shù)難關(guān)，成為目前世界上唯一掌握激光成形鈦合金大型主承力構(gòu)件制造技術(shù)并且可以裝機(jī)應(yīng)用的國(guó)家。

  （三）實(shí)現(xiàn)激光3D打印機(jī)大型化，需要突破哪些技術(shù)難關(guān)？

  激光3D打印機(jī)大型化以后會(huì)面臨很多技術(shù)難題，由北京航空航天大學(xué)王華明院士主持研發(fā)的激光3D打印機(jī)經(jīng)過(guò)不斷的迭代優(yōu)化，目前最大打印面積已經(jīng)達(dá)到了15平方米，更是要突破很多技術(shù)難題。

  首先要突破的技術(shù)是送粉裝置問(wèn)題。

  小型激光3D打印機(jī)一般采用滾筒式送粉裝置，就是不管打印的零件大小形狀如何，在整個(gè)打印室里面都均勻鋪上一層粉。

  打印面積大幅度增加后，如果還采用滾筒式送粉裝置的話，滾筒尺寸會(huì)變得非常巨大，難以進(jìn)行控制。

  而且，在上文我們已經(jīng)介紹過(guò)，小型SLM激光3D打印機(jī)送粉裝置、氣體保護(hù)以及激光掃描控制裝置是分開(kāi)布置的，而在大型激光3D打印機(jī)上面，這種結(jié)構(gòu)就行不通了。

  小型激光3D打印機(jī)可以通過(guò)在密封的空間里面填充保護(hù)性氣體來(lái)防止零件氧化，但是大型的密封空間實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常困難。中國(guó)最新一代大型激光3D打印機(jī)的打印面積已經(jīng)達(dá)到15平方米，充氣代價(jià)比較高昂。

  另外，小型激光3D打印機(jī)激光器一般是固定的，通過(guò)控制反射鏡的角度來(lái)實(shí)現(xiàn)激光束的掃描，當(dāng)打印面積大幅度增加后，會(huì)因?yàn)榧す馐肷浣嵌茸兓髮?dǎo)致能量分布不均勻，影響不同區(qū)域的打印質(zhì)量。

  為了解決這些問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)家發(fā)明了同軸送粉裝置，將送粉裝置、保護(hù)性氣體噴射裝置和高能激光器全部集成在一個(gè)主軸上面。

  打印機(jī)工作時(shí)，送粉裝置把粉末堆積在需要打印的區(qū)域，高能激光器掃描燒結(jié)的同時(shí)，保護(hù)性氣體直接覆蓋在打印區(qū)域上，可以防止打印區(qū)域被氧化。

  （同軸送粉裝置示意圖）

  其次要突破的是工藝難題。

  激光3D打印本質(zhì)上是一個(gè)材料淬火的過(guò)程，薄薄的一層粉末在極短的時(shí)間內(nèi)被加熱到熔融狀態(tài)，然后又急速冷卻，溫度變化梯度可達(dá)2000K/秒。

  劇烈的溫度變化使得激光3D打印的零件具備優(yōu)良的性能，同時(shí)內(nèi)部熱應(yīng)力巨大。打印小型零件時(shí)還不是很明顯，隨著打印零件的大型化，零件內(nèi)部的熱應(yīng)力呈幾何倍數(shù)增長(zhǎng)，甚至在打印過(guò)程中會(huì)發(fā)生斷裂。

  另外，大型零件打印時(shí)間非常長(zhǎng)，通常需要連續(xù)打印幾天時(shí)間，打印過(guò)程中如果產(chǎn)生氣泡、夾雜等缺陷，即使非常微小，也會(huì)使得零件的性能急劇下降。

  美國(guó)正是因?yàn)閷?duì)控制打印缺陷比較悲觀，所以才放緩了對(duì)激光3D打印件在航空領(lǐng)域的應(yīng)用研發(fā)。

  然而對(duì)中國(guó)科學(xué)家來(lái)說(shuō)，突破大型激光3D打印技術(shù)是華山一條路，突破不了的話，很多重大項(xiàng)目的進(jìn)度就要受影響。

  通過(guò)合理規(guī)劃打印路徑平衡熱應(yīng)力的影響，改進(jìn)同軸送粉裝置，探索合理的打印參數(shù)、送粉量和送粉速度，中國(guó)科學(xué)家最終攻克了這個(gè)難題。

  結(jié)語(yǔ)

  激光3D打印技術(shù)是近些年來(lái)發(fā)展比較迅速的技術(shù)之一，雖然中國(guó)在1999年才開(kāi)始金屬零件的激光快速成形技術(shù)研究，但發(fā)展速度很快，并逐漸突破各種技術(shù)難關(guān)，使大型整體結(jié)構(gòu)件的3D打印成為可能。

  目前，中國(guó)激光3D打印技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)走在了世界前列，越來(lái)越多的戰(zhàn)機(jī)開(kāi)始使用國(guó)產(chǎn)的3D打印部件，相信隨著相關(guān)技術(shù)的成熟，中國(guó)的戰(zhàn)機(jī)研發(fā)在未來(lái)一定會(huì)迎來(lái)一個(gè)井噴期。

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