3D打印 從航天制造“加速器”到“太空工廠”

石頭+玲子

3D打印，將讓人類在航空航天征途上飛得更快 更高更遠(yuǎn)。國內(nèi)3D打印及航空航天領(lǐng)域的專家們?nèi)涨霸谑讓谩爸袊娇蘸教煸霾闹圃旒夹g(shù)與應(yīng)用論壇”上宣布，作為一項(xiàng)顛覆性的制造技術(shù)，3D打印將給航空航天領(lǐng)域帶來重大變革。

3D打印為什么受到航空航天界的特別青睞？它會帶給我們哪些改變？這得從3D打印技術(shù)的原理特點(diǎn)說起。3D打印技術(shù)誕生于上世紀(jì)80年代的美國，可將物體進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，采用分層加工、疊加成形的方式，以激光束或電子束作為熱源，將塑料、金屬合金、陶瓷等粉末材料按照預(yù)先設(shè)計(jì)的圖形逐層高溫熔化、凝固，最后得到與零件三維模型完全一致的真實(shí)零件，也叫“增材制造”。

如果說鑄造技術(shù)類似用模具在冰箱中凍冰棍，鍛造技術(shù)像鐵匠千錘百煉打鐵器，那么3D打印則是一種全新的整體化制造技術(shù)，能大幅簡化零件制造繁雜的工藝流程，大大節(jié)省研制時(shí)間并提高原材料的利用率。

復(fù)雜零件輕松“搞定”

不論是現(xiàn)代的飛機(jī)還是航天器，都追求用盡可能少和輕的材料實(shí)現(xiàn)最大強(qiáng)度和剛度，因此構(gòu)件常常采用“占空比”很大的異形設(shè)計(jì)，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜，形狀“歪瓜裂棗”，像做過“鏤空”處理，用切削加工的方式制造則難度很大，有時(shí)95%的材料都被切割掉，且制造周期長達(dá)幾個(gè)月。

3D打印技術(shù)恰恰彌補(bǔ)了常規(guī)制造方法的不足，能快速地打印出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件產(chǎn)品化的捷徑。

想象一下，將飛機(jī)的渦輪盤、框梁，航天發(fā)動機(jī)泵殼體、航天器的網(wǎng)格壁板密封艙等關(guān)鍵部件，從三維模型剖切成若干層二維“薄片”，那么不論這個(gè)三維零件結(jié)構(gòu)多么復(fù)雜，只需逐層打印二維“薄片”并疊加粘結(jié)，就可快速將產(chǎn)品完整做出來。

前不久，我國成功發(fā)射的首枚新一代運(yùn)載火箭“長征七號”的某試驗(yàn)搭載中，就有用3D打印技術(shù)制造的鈦合金構(gòu)件。中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院副總工程師陳濟(jì)輪向記者透露，采用3D打印只用7天就搞定以往好幾個(gè)月才能加工完的零件。

中國工程院院士、北京航空航天大學(xué)教授王華明回憶說，國產(chǎn)大飛機(jī)C919機(jī)頭工程樣機(jī)的主風(fēng)擋框、連接機(jī)翼和機(jī)身的上下緣條等鈦合金大型復(fù)雜關(guān)鍵構(gòu)件就曾采用3D打印制造，只用幾十天時(shí)間就完成了傳統(tǒng)工藝耗時(shí)兩年的工作，材料用量不足傳統(tǒng)鍛件的十分之一。

“若使用3D打印技術(shù)制造航空航天構(gòu)件，至少可以壓縮一半的周期和成本。”中國工程院院士、西安交通大學(xué)教授盧秉恒日前在首屆“中國航空航天增材制造技術(shù)與應(yīng)用論壇”上介紹，美國宇航局2013年通過3D打印技術(shù)制造的J—2x火箭發(fā)動機(jī)噴注器就在高溫點(diǎn)火試驗(yàn)中產(chǎn)生了創(chuàng)紀(jì)錄的9噸推力，并使整體式噴注器組零件數(shù)由原來的115個(gè)集成為2個(gè)，大大提高了生產(chǎn)效率。

從空間“五金店”到“太空工廠”

“縮短型號研發(fā)流程，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的小批量快速制造只是3D打印作為顛覆性技術(shù)的一個(gè)方面?！标悵?jì)輪認(rèn)為，3D打印將會打破傳統(tǒng)制造工藝對先進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的制約，讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)師放手做出“天馬行空”的設(shè)計(jì)。

如今，3D打印已將人類生產(chǎn)制造活動延展到外太空。眾所周知，太空環(huán)境與地面上完全不同，就是緊固螺帽這么簡單的工作，在空間站都受到極大制約，更別說制造工具。

因而在3D打印機(jī)被送上太空以前，人類進(jìn)入太空就像去戶外露營，得把要用的工具都帶齊全。但自從空間站有了3D打印機(jī)，宇航員可以隨時(shí)設(shè)計(jì)打印出急需的個(gè)性化工具，就像多了個(gè)空間“五金店”。美國宇航局的地面工作人員就曾通過電子郵件給空間站傳了一個(gè)數(shù)字模型文件，由空間站上的宇航員自主地3D打印出一個(gè)急需的套筒扳手。

據(jù)悉，美國宇航局計(jì)劃將3D打印技術(shù)應(yīng)用到太空發(fā)射系統(tǒng)的創(chuàng)建和“獵戶座”飛船的火箭部件上，并使之成為未來登陸火星計(jì)劃的一部分。

曾任歐洲空間局局長的讓·雅克·多爾丹近日在北京接受記者采訪時(shí)表示，3D打印技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，或?qū)⒃谖磥砜臻g資源開發(fā)利用中，幫助人們直接在太空中進(jìn)行礦產(chǎn)開發(fā)與深加工，實(shí)現(xiàn)飛行器在空間維修和燃料加注，使人類在深空探測中走得更遠(yuǎn)。

科學(xué)家相信，隨著3D打印技術(shù)的不斷進(jìn)步，人類未來有可能將地面制造工廠搬到外太空，利用太空中真空、超低溫等特殊環(huán)境和無限的空間及能源，制造出更多高精尖的產(chǎn)品。

助力中國航天制造 機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存

在麥肯錫公司2013年公布的一份報(bào)告中，3D打印在今后影響人們生產(chǎn)組織模式和社會生活的十二項(xiàng)重大顛覆性技術(shù)中名列第九。歐美各國都意識到3D打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的優(yōu)勢以及在空間站建設(shè)、深空探測等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用前景，各自形成了3D打印發(fā)展路線圖，并在航空航天領(lǐng)域積極作出部署。

當(dāng)你能用一臺3D打印機(jī)制造出飛機(jī)時(shí)，還會有誰需要數(shù)以億計(jì)美元的生產(chǎn)設(shè)施？研究人員試圖使用3D印刷技術(shù)來制造一架能自行飛上天的飛機(jī)。

“我國的3D打印技術(shù)相比國外，研究起步并不晚，某些方面還處于領(lǐng)先地位，但應(yīng)看到，我國3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展較慢，企業(yè)規(guī)模不足。”盧秉恒院士坦言，目前仍存在著大型零件批量化生產(chǎn)難度大、產(chǎn)品的疲勞強(qiáng)度等性能滿足適航條件難，缺乏統(tǒng)一的制造和校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備昂貴等瓶頸，和國外相比，存在數(shù)量級的差距。

如今，中國對3D打印技術(shù)日益重視，迎來3D打印良好的發(fā)展機(jī)遇。3D打印已被當(dāng)作“中國制造2025”的一項(xiàng)重要工程來發(fā)展，國家已制訂了相應(yīng)的發(fā)展規(guī)劃，并從十三五開始進(jìn)行財(cái)力支持。

可以預(yù)見，隨著3D打印技術(shù)規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化，傳統(tǒng)的工藝流程、生產(chǎn)線、工廠模式、產(chǎn)業(yè)鏈組合都將面臨深度調(diào)整。3D打印技術(shù)在中國航空航天領(lǐng)域上的應(yīng)用前景也將充滿無限可能。