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個性化航空航天新應用 3D打印產業化迎來新契機


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10月19日下午,中國航天科技集團總工程師,博士生導師楊海成教授在遼寧交通高等專科學校所做的學術報告中指出:“隨著‘互聯網 ’思維的不斷深入,企業發展正向新型的平臺型企業邁進。個性化定制是今后工業發展的最新趨勢,像在天宮2號中,也會出現3D打印機,用于天宮本身零部件的更換和維修!”

眾所周知,中國航天60年,10月19日3時31分,神舟十一號飛船與天宮2號自動交會對接成功。而天宮2號空間實驗室早已于2016年9月15日22時04分09秒在酒泉衛星發射中心發射成功。它較大的改進是裝備更豪華、裝載量提高、內部環境更好,而且它的系統設計是??榛?,也就是說它出現問題時可以快速更換和在軌維修,這在國內空間領域屬于首創。天宮2號使用3D打印機,則實現本身零部件的快速更換與維修。

事實上,3D打印在中國航空航天業并不是第一次隆重登場,在2015年紀念中國人民抗日戰爭勝利暨世界反法西斯勝利70周年大閱兵的空中梯隊中使用的飛機中,不乏3D打印技術生產出來的零部件產品。

正如工業和信息化部總工程師張峰在“中國增材制造產業聯盟”成立大會上所言,“我國增材制造技術研究起步不晚,有些方面還處于世界領先地位?!繃煜鵲匚壞惱侵泄嬌找翟?D打印技術上應用,不僅多個型號飛機使用了3D打印部件,而且部分技術已經達到世界領先水平。

例如,在金屬零件的激光快速成形技術研究上,我國開始于1999年,相比美國晚了十幾年。不過,在應用研究成果上,美國卻一直無法實現突破。2005年,美國Aeromet公司生產的F/A-18E戰斗機因強度問題試驗失敗。隨后,該公司因無法生產出性能滿足主承力要求的大尺寸復雜鈦合金構件,無法實現有價值的應用市場而倒閉了。而我國已經具備了使用激光成形超過12平方米的復雜鈦合金構件的技術和能力,成為目前世界上唯一掌握激光成形鈦合金大型主承力構件制造、應用的國家。

在傳統的戰斗機制造流程當中,飛機的3D模型設計好后,需要進行長期的投入來制造水壓成型設備,而使用3D打印這種增材制造技術后,零件的成型速度、應用速度得以大幅度提高。資料顯示,原本制造一架航空機型需要花費10-20年時間,而應用3D打印技術以后,最少需要花3年時間。足以證明,3D打印技術在復雜的工業領域有著無可取代的優勢。

其實,3D打印技術一直以來因成本、技術問題無法大規模制造,而且全球的3D打印產業化都還處于起步階段。如果3D打印技術要想完全代替傳統加工制造業目前還是不現實的,至少還需要攻克以下幾個方面的難題:

材料方面,3D打印又稱“增材制造”,不難看出,材料是這項技術的核心,材料用的合適,才能制造出合適的產品。當前3D打印產品的應用,主要集中在飾品、模具模型、個性化家居產品以及汽車飛機的小尺寸零件上,使用的材料無非是樹脂、塑料、普通金屬粉末等。若產業往高端化發展,則需要突破性能要求非常高的合金材料、高分子復合材料這一關,這涉及的材料種類達幾百種甚至更多。因而,3D打印技術才能進入航空航天、人工智能、大型復雜機械和生物醫療領域。

軟件方面,從目前的技術水平來看,消費級3D打印機幾乎只能制造一些像雞蛋架、梳子這類簡單的產品。而想要制造復雜工業的產品,光是三維設計這個技術,就不是每個人都能掌握的。而且,在我國暫時還沒有屬于自己的三維設計軟件,使用還需支付大額專利費用。

能源問題,目前3D打印采用的能量源是激光,但其生產效率還有待提高,尤其是在加工大尺寸、熔點較高的金屬制品時更是如此。若能在能源方面突破,那么打印效率就能實現成倍提升。

設備方面,當前的3D打印機精度大約是0.1毫米級,如果能夠突破納米級別,極大地拓展該產業的應用范圍,并能帶來很多革命性的成果。

總體而言,在生產過程中還沒有與其功能無關的剩余物,一旦技術成熟將大大降低生產成本,甚至一個人、一臺電腦、一部打印機就有可能組成一個“工廠”。也正因為3D打印技術在航空航天制造這類復雜的工業領域有著無可替代的優勢,所以我國高度重視增材制造技術和產業的發展,不僅出臺了系列政策,以及產業化規劃,還建立其初步的支撐體系。個性化定制是今后工業發展的最新趨勢,那將是一個3D打印領域的新契機,而產業化將不再是難題。

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