3D助力航空制造

njyd

　　此文是登在《航空知识》今年第9期上的，俺把它扫描下来。

　　3D打印技术是一项“变革性”的数字化先进制造技术，彻底颠覆了传统数控“去除法”的加工方式。随着3D打印技术不断完善，必将对传统制造业带来巨大冲击，从而使整个世界制造业与物流格局发生革命性的变革。
                  何为3D打印技术？
　　3D打印是一种快速成型技术，它以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体，形成“数字化制造”的一种新技术。3D打印技术，是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。根据所用材料及生成片层方式的区别，3D打印技术路径和实现方法大致归纳为挤出成型、粒状物料成型、光聚合成型三大技术类型，每种类型又包括一种或多种技术路径。
　　3D打印技术源于美国，以3DSystems和DTM公司为代表的一批中小科技公司在20世纪80年代末至90年代初相继研发出立体光固成型（SLA）、选择性激光烧结（SLS）和熔丝沉积造型（FDM）等主流技术路线，经过20多年的沉淀和不断完善已经日臻成熟。
　　近年来，随着3D打印材料的多样化发展以及打印技术的革新，这项新兴技术被广泛应用于工业领域、军事领域、医学领域和消费领域。如今已涉入到高精尖的技术领域，并在如航空航天、生物工程、纳米技术、克隆技术、医疗技术等行业占据越来越重要的地位。。
　　毫无疑问，3D打印技术正在推动和改变我们的世界。目前，激光快速成型制造（3D打印）正在全球制造技术上引起一场革命。
              3D打印助力飞机研制
　　1984年，美国开发出从数字数据打印出3D物体的技术，并在 2年后开发出第一台商业3D打印机。近年来，世界发达国家竞相把 3 D打印技术引入新机研制，重点是对飞机的重要部件实现数字化3D打印制造。
　　一项新技术的发明往往首先考虑它在军事上的应用。3D打印技术也是如此，它的出现首先就考虑其在研制高精尖航空装备方面的应用。尤其是在飞机制造方面，3D打印技术颠覆了传统的“去除式”加工概念，彻底改变了制造业通过模具、浇铸、车铣、数控等机械加工方式，通过对材料处理并逐层叠加打印。最后形成三维实体并实现了“数字化制造”。这种“数字化制造”是直接由计算机中的图形数据，通过3D打印逐层叠加便可生成任何形状的物件，不仅大大降低了制造的复杂度，而且还大幅度降低了原材料损耗和加工成本，重要的是还可以大大缩短产品的加工时间，成倍提高生产效率。
　　这种新技术很快就引起美国军方重视，五角大楼认为，如果将这种技术用在武器制造上，产生的威力将是惊 人的。因此，美国首先考虑其在航空工业飞机制造方面的应用。在现代飞机上广泛使用的一种金属是钛，它的密度只有钢铁的一半，强度却远胜于大多数合金，如果通过激光将钛熔化并一层层喷出飞机的结构件来，无疑将大大提高美国战机的制造速度。为此，在五角大楼主导下．美国在1985年就秘密开始了钛合金激光成形技术研究，1992年才将这项技术公之于众。在2002年．美国己将激光成形钛合金零件装上了战机。
　　在很长一段时间里，这种3D打印仅限于较小的钛合金零部件制造。由于钛合金在制造过程中容易变形、断裂的技术难题无法解决，美国始终无法生产高强度、大尺寸的激光成形钛合金构件。今年1月14日，美国 Sciaky公司宣布，他们已成功掌握了突破性的直接制造技术，使用电子束进行钛合金3D打印，制造的零件尺寸可以达到5.8米xl.2米xl.2米。
　　美国空军和军工巨头洛克希德·马丁公司立即宣布，与Sciaky加强合作，用该公司生产的襟副翼翼梁装备正在生产的F35战斗机。据估计，如果3000多架战机都使用这种技术制造零部件，不仅大大提高“难产”的F35战机的部署速度，而且还能节省数十亿美元成本。目前，使用3D 打印钛合金零件的F35已经进行了试飞。
　　我国在3D打印技术担究方面起步较晚．但发展很快。1999年我国开始金属零件的激光快速成形技术研究，并很快应用到航空制造业。近年来，我国在飞机钛合金大型整体结构件的激光快速成形方面取得了重要突破，有效解决了激光快速成形钛合金大型整体结构件的变形开裂及内部质量控制两大技术难题。据媒体报道，通过对钛合金零件凝固组织的有效控制，所成形的飞机钛合金结构件的综合力学性能达到或超过钛合金模锻件，并已通过装机评审及实际应用。
　　中航工业副总工程师孙聪，在今年“两会”期间接受媒体采访时说，3D 打印技术的采用为歼15的成功作出了巨大贡献。让世界震惊的不光是技术、更因为航空工业的发展体现了中国速度。歼15项目从一无所有一下子跨越到了相当于美国F/A18“大黄蜂”的水平。
　　3D技术的采用不仅大大缩短了飞机研制的周期，而且为我国新机研制创造了前所未有的速度，上世纪八、九十年代。我国前后用18年时间才自行研制出第一种三代战机--歼10.而今,新一代战机从开发研制到首飞仅用3-5年时间。前美国国防部长罗怕特·盖茨曾预言：中国“在2020年前不可能拥有第五代战斗机”。但是中国的回应是在他于2011年1月访华时就让他“目睹”了歼20成功完成首次试飞。
　　2013年 1月18 日，国务院向“飞机钛合全大型复杂整体构件激光成形技术”研发团队颁发了国家技术发明一等奖。目前．这一技术在我国已经投入工业化制造，采用激光直接制造的多种钛合金等大型复杂关键金属零件，己在目前研制的新型战机、大型运输机、C919大型客机等新机中应用，使我国成为继美国之后、世界上第二个掌握飞机钛合金结构件激光快速成形技术并实现工程应用的国家。












　　

njyd

　　照片是文中的插图，第二张可以看到加工过程。
　　从第一、二张照片上看，零件表面相当粗糙。我想要提高表面光洁度不是不可以，只要减小激光聚焦点。但这样一来加工速度大约成三次方下降（聚焦点直径减少一半，加工速度成八分之一），两相权衡，保持一定的速度事后再对表面进行切（或磨）削加工划算点。
　　最后一张有点意思，说明中说是发动机涡轮叶片。一般说喷气发动机的涡轮是指燃烧室后面的部分，前面的是压气机。这是否提示了中国已经能打印耐高温合金？不过说明中没说是否中国的。

xlan1976

3D打印俺不懂，不过对最后一张照片存疑，涡轮叶片内部是有冷却气路的，但在图上看不到，而且还说是第一级高压涡轮叶片。。

老杨

上次看到罗罗公司的发动机制造的记录片  原来涡轮叶片是铸造的  不知道这种成型技术效果怎么样

njyd

xlan1976 发表于 2013-8-13 18:48
3D打印俺不懂，不过对最后一张照片存疑，涡轮叶片内部是有冷却气路的，但在图上看不到，而且还说是第一级高 ...

　　冷却气路开口应该不在叶片尖上吧？理论上气路也能打出来，但照片中的那个表面粗糙度应该是不够的。
　　不过印象中涡轮好象不说高低压，压气机才说，从这方面看好像又应该是压气机最后一级叶片，先进涡喷这里也要快两千度了吧？

xlan1976

njyd 发表于 2013-8-13 19:48
　　冷却气路开口应该不在叶片尖上吧？理论上气路也能打出来，但照片中的那个表面粗糙度应该是不够的。
...

只要是双转子的发动机，压气机和涡轮肯定都有高低压级之分，高压涡轮驱动高压压气机，低压涡轮驱动低压压气机。
涡轮叶片的冷却气路一般来说是上下贯通的。
现代航空燃气涡轮发动机通常涡轮前温度都在1700-1900K左右。

包子

njyd 发表于 2013-8-13 19:48
　　冷却气路开口应该不在叶片尖上吧？理论上气路也能打出来，但照片中的那个表面粗糙度应该是不够的。
...

冷却气路开口就是在叶片尾部，不过叶片的厚度比较厚，配图的零件貌似是压气机的叶片。

feathers

njyd 发表于 2013-8-13 19:48
　　冷却气路开口应该不在叶片尖上吧？理论上气路也能打出来，但照片中的那个表面粗糙度应该是不够的。
...

啥时候能把涡轮盘和叶片一体成形打印出来那才NB

老杨

feathers 发表于 2013-8-14 14:42
啥时候能把涡轮盘和叶片一体成形打印出来那才NB

坏了叶片 你是换还是不换呢

ccqi

老杨 发表于 2013-8-14 14:45
坏了叶片 你是换还是不换呢

反正打印相对方便，以往的模块化看来要往大的方向调了

老杨

ccqi 发表于 2013-8-14 16:09
反正打印相对方便，以往的模块化看来要往大的方向调了

打印后不见得就能用？安装位置的精度是不是能达到 达不到的话 要不要机加工 后期做热处理、 表面加工（硬化、激光啥的）
实用化后 批量生产 工艺化后 要不要考虑生产成本 等等..............许多方面 不是一3d打印就万事大吉 个人认为现阶段肯定要与传统的加工方法相结合比较好

ccqi

老杨 发表于 2013-8-14 16:18
打印后不见得就能用？安装位置的精度是不是能达到 达不到的话 要不要机加工 后期做热处理、 表面加工（硬 ...

是的 您说的都对 考虑的比我全面多了
但从发展的眼光来看 对于部分组件 加成加工法是由天然优势的 当然需要时间完善其技术、工艺和产业链

njyd

老杨 发表于 2013-8-14 14:45
坏了叶片 你是换还是不换呢

好像国外已经有整体成形的，次一步有用什么方法把叶片与盘焊在一起的。印象中。

njyd

老杨 发表于 2013-8-14 16:18
打印后不见得就能用？安装位置的精度是不是能达到 达不到的话 要不要机加工 后期做热处理、 表面加工（硬 ...

表面加工是肯定要的，即使某些部位对光洁度没有要求，除去那些小疙瘩也能减重。

feathers

老杨 发表于 2013-8-14 14:45
坏了叶片 你是换还是不换呢

一体化的涡轮性能可是刚刚的，结构重量也能降下来，单从性能上说的话，应该比涡轮盘+叶片要高。如果不考虑可维修性，用在一次性的导弹上可否？

feathers

njyd 发表于 2013-8-14 17:17
好像国外已经有整体成形的，次一步有用什么方法把叶片与盘焊在一起的。印象中。 ...

是用电子束焊接涡轮与叶片，但谁都知道焊点的应力结构不好，寿命不太靠谱。

所以我才打高球

njyd 发表于 2013-8-13 18:35
　　照片是文中的插图，第二张可以看到加工过程。
　　从第一、二张照片上看，零件表面相当粗糙。我想要提 ...

看最后一张图，即便是“打印”出来还是要经过铣削这道关。

所以我才打高球

njyd 发表于 2013-8-13 19:48
　　冷却气路开口应该不在叶片尖上吧？理论上气路也能打出来，但照片中的那个表面粗糙度应该是不够的。
...

900度到1200度吧（摄氏）。