航天航空技術(shù)是當(dāng)今世界最具影響力的高新科技之一,而航天航空制造技術(shù)是航天航空技術(shù)的重要組成部分,其發(fā)展水平對于飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈和航天器等航天航空產(chǎn)品的可靠性增強(qiáng)與使用壽命延長,綜合技術(shù)性能的完善,研制和生產(chǎn)成本的降低,甚至總體設(shè)計(jì)思想能否得到具體實(shí)現(xiàn),均起著決定性作用。同時(shí),航天航空制造技術(shù)是集現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成果之大成的制造技術(shù),集中代表了一個(gè)國家的最高制造業(yè)水平和技術(shù)實(shí)力,是衡量一個(gè)國家科技發(fā)展綜合水平的重要標(biāo)志之一。
3D打印技術(shù)在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢
第一,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜難加工零件的制造。航天航空裝備關(guān)鍵零部件的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常較為復(fù)雜,鑄造、鍛造等傳統(tǒng)制造工藝難以精準(zhǔn)加工,而金屬3D打印技術(shù)無需像傳統(tǒng)制造技術(shù)一樣研發(fā)零件制造過程中使用的模具,能讓讓高性能金屬零部件,尤其是高性能大結(jié)構(gòu)件的制造流程大為縮短,這將極大的縮短產(chǎn)品研發(fā)制造周期。國防大學(xué)軍事后勤與軍事科技裝備教研部教授李大光表示上世紀(jì)八九十年代,要研發(fā)新一代戰(zhàn)斗機(jī)至少要花10-20年的時(shí)間,而如果借助3D打印技術(shù)及其他信息技術(shù),最少只需3年時(shí)間就能研制出一款新戰(zhàn)斗機(jī),因?yàn)?D打印技術(shù)最突出的優(yōu)點(diǎn)是無需機(jī)械加工或任何模具,就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件。
第二,顯著提高材料利用率。航天航空裝備對材料的性能和成分要求十分嚴(yán)苛,而材料的極大浪費(fèi)也就意味著機(jī)械加工的程序復(fù)雜,生產(chǎn)時(shí)間周期長。傳統(tǒng)制造方法對材料的使用率很低,一般不會(huì)大于10%,甚至僅為2%-5%,對于難加工的技術(shù)零件,加工周期會(huì)大幅度增加,制造周期明顯延長,從而造成制造成本的增加。3D打印技術(shù)可以輕松地加工高熔點(diǎn)、高硬度的高溫合金、鈦合金等難加工材料,且3D打印加工過程中對材料的利用相對充分,只需進(jìn)行少量的后續(xù)處理即可投入使用,材料的使用率達(dá)到了60%,有的可達(dá)90%以上,可以節(jié)約原材料且顯著的降低制造成本。
第三,可有效實(shí)現(xiàn)零件減重。減重是航天航空武器裝備永恒不變的主題,不僅可以使飛行裝備在飛行過程中更靈活,而且可以減少載重量,節(jié)省燃油,降低飛行成本。但是傳統(tǒng)的制造方法已經(jīng)將零件減重發(fā)揮到了極致,想再進(jìn)一步發(fā)揮余力,已經(jīng)不太現(xiàn)實(shí)。但是3D技術(shù)的應(yīng)用可以在保證性能的前提下優(yōu)化復(fù)雜零部件的結(jié)構(gòu),減少零部件數(shù)量,實(shí)現(xiàn)零部件的整體制造,無需焊接、鉚接等組裝工藝,經(jīng)變換重新設(shè)計(jì),將復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成簡單結(jié)構(gòu),從而起到減輕重量的效果。而且通過優(yōu)化零件結(jié)構(gòu),能使零件的應(yīng)力呈現(xiàn)出最合理化的分布,降低疲勞裂紋產(chǎn)生的危險(xiǎn)性,從而提高零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、增強(qiáng)完整性和可靠性等性能、增加使用壽命。戰(zhàn)機(jī)的起落架是承受高載荷、高沖擊的關(guān)鍵部位,這就需要零件具有高強(qiáng)度的抗沖擊能力。美國F16戰(zhàn)機(jī)上使用3D技術(shù)制造的起落架,不僅滿足使用標(biāo)準(zhǔn),而且平均壽命是原來的2.5倍。
第四,可快速修復(fù)零部件破損部分。在航天航空領(lǐng)域,重大裝備造價(jià)昂貴,如果使用過程中出現(xiàn)零部件損壞或零件尺寸不合要求等問題,將造成很大經(jīng)濟(jì)損失。此時(shí),選擇利用3D打印技術(shù)修復(fù)零部件破損部分,使整體裝備快速投入使用是明智的。以高性能整體渦輪葉盤零件為例,當(dāng)盤上的某一葉片受損,則整個(gè)渦輪葉盤將報(bào)廢,直接經(jīng)濟(jì)損失價(jià)值在百萬之上。在以前,這種令人心痛的損失可能不可挽回,但是基于3D打印逐層制造的特點(diǎn),我們只需將受損的葉片看作是一種特殊的基材,在受損部位進(jìn)行激光立體成形,就可以回復(fù)零件形狀,且性能滿足使用要求,甚至是高于基材的使用性能。由于3D打印過程中的可控性,其修復(fù)帶來的負(fù)面影響很有限。事實(shí)上,3D打印制造的零部件更容易得到修復(fù),匹配性更佳。相較于其他制造技術(shù),在3D修復(fù)過程中,由于制造工藝和修復(fù)參數(shù)的差距,很難使修復(fù)區(qū)和基材在組織、成分以及性能上保持一致性。但是在修復(fù)3D成形的零件時(shí)就不會(huì)存在這種問題了。修復(fù)過程可以看作是3D打印過程的延續(xù),修復(fù)區(qū)與基材可以達(dá)到最優(yōu)的匹配。這就實(shí)現(xiàn)了零件制造過程的良性循環(huán):低成本制造+低成本修復(fù)=高經(jīng)濟(jì)效益。
國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀
因?yàn)?a href="http://teenpicscenter.com/" target="_self">3D打印的諸多優(yōu)勢,國內(nèi)外在此領(lǐng)域的研究屢有突破。國內(nèi)方面,中國航天科技集團(tuán)公司與上海航天設(shè)備制造總廠聯(lián)合研制出一款多激光3D打印機(jī),目前已成功打印出衛(wèi)星星載設(shè)備的光學(xué)鏡片支架、飛機(jī)研制過程中用到的葉輪等構(gòu)件。這些構(gòu)件有的形狀極其不規(guī)則,有的微小而復(fù)雜,如果采取傳統(tǒng)加工技術(shù),不僅造價(jià)昂貴、廢品率高,甚至難以加工生產(chǎn),而這臺(tái)3D打印機(jī)很快就能打印出來。成都航利集團(tuán)利用3D打印技術(shù)進(jìn)行飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片修復(fù),開展了數(shù)字化仿真、壽命評(píng)估等前沿理論研究和再制造技術(shù)預(yù)算,創(chuàng)建了國內(nèi)第一套具有國際先進(jìn)水平的航空發(fā)動(dòng)機(jī)再制造技術(shù)和工程管理體系,使按引進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)不能修復(fù)的3萬余件關(guān)鍵零部件得到再生,實(shí)現(xiàn)了軍用航空發(fā)動(dòng)整機(jī)性能升級(jí),成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)精密零件世界級(jí)生產(chǎn)基地和供應(yīng)商,并建成國內(nèi)首個(gè)“航空發(fā)動(dòng)機(jī)再制造技術(shù)應(yīng)用研發(fā)中心”。國外方面,美國航空航天和軍火承包商Aerojet Rocketdyne日前成功完成MPS-120 CubeSat(MPS-120)高沖擊可適應(yīng)模塊推進(jìn)系統(tǒng)的點(diǎn)火試驗(yàn),這意味著3D打印的肼集成推進(jìn)系統(tǒng)將可為微型CubeSat衛(wèi)星提供動(dòng)力。
此外,3D打印在太空中的應(yīng)用也有一定收獲。
2014年7月,NASA鼓勵(lì)民眾參與到“火星基地挑戰(zhàn)”中。參與者需設(shè)計(jì)一個(gè)可經(jīng)受得起火星殘酷環(huán)境考驗(yàn)的智能化、功能化的火星基地三維模型。幾周后,NASA宣布創(chuàng)建出首個(gè)船底座星云的完整三維模型。船底座星云距地球約7500光年,是值得天文學(xué)家深入研究的銀河系最大、最亮的恒星之一。原恒星是太陽質(zhì)量的90倍,排放能量是太陽的500萬倍。NASA使用3D模型來獲取其相關(guān)信息。2014年11月,Made In Space公司和 NASA的人員開始通過電子郵件向ISS發(fā)送空間站上3D打印機(jī)的使用說明以及空間站專用套筒扳手的3D打印資料,省時(shí)又節(jié)約能源。2015年初,NASA鼓勵(lì) “空間工具挑戰(zhàn)”的參與者提交更多更新的3D打印設(shè)計(jì)發(fā)送給ISS,令太空旅行更加美好。美國宇航局(NASA)在3D打印領(lǐng)域一直風(fēng)頭十足。在其首次將3D打印機(jī)送入地球軌道半年之后,近日,來自阿拉巴馬州Huntsville馬歇爾太空飛行中心的工程師在攝像鏡頭前首次拆箱了從空間站(ISS)發(fā)回來的3D打印物品。
據(jù)NASA有關(guān)人員披露,為了更好地開拓其它行星和小行星,肯尼迪航天中心正在進(jìn)行一項(xiàng)新的研究,其目的就是將機(jī)器人送到一些“漫游者”之類的探測車無法到達(dá)的地方。這些機(jī)器人,被稱為“Extreme Access Flyers(極端訪問飛行物)”,這是一種類似于無人機(jī)的飛行器,但是它主要依靠冷氣噴射在其它星球的大氣層(有的可能沒有大氣層)中飛行。據(jù)了解,NASA目前正在使用3D打印快速設(shè)計(jì)這些無人機(jī)的樣機(jī),同時(shí)也在測試它們是否能夠自主飛行或者需要人類從遠(yuǎn)處控制它們飛行。NASA佛羅里達(dá)中心空間技術(shù)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室Swamp Works的高級(jí)技師Rob Mueller說,“要想利用火星或者小行星資源的第一步是先要找出資源。這些能夠飛行的勘探機(jī)器人可以進(jìn)入一些之前很難到達(dá)的地方,比如有些隕石坑壁角度在30度以上,對于傳統(tǒng)的探測車來說實(shí)在是太陡可根本爬不上去?!边@些太空無人機(jī)的原型由幾個(gè)3D打印的部件以及大部分現(xiàn)成的部件組成,大約有5英尺寬。如果計(jì)劃順利的話,人類未來會(huì)派它們到火星的一些神秘區(qū)域,比如火山附近,或者是表面非常崎嶇難行的小行星上。雖然這種無人機(jī)會(huì)在什么時(shí)候用在火星或者小行星上并沒有明確的時(shí)間表,以及最終的版本是否采用3D打印的方式制造也不確定。但是它充分顯示了3D打印在NASA內(nèi)部的研究中發(fā)揮著重大作用。同時(shí),NASA稱,他們希望在下一個(gè)針對大型天體的主要任務(wù)中使用多架類似的無人機(jī)?!八鼈儗⒂凶銐虻耐七M(jìn)劑在火星或月球上飛個(gè)幾分鐘,或者在小行星上飛幾個(gè)小時(shí)?!?Extreme Access Flyer項(xiàng)目的共同研究員Mike DuPuis說。
3D打印在航天航空領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展趨勢及挑戰(zhàn)
3D打印在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用可謂是碩果累累,未來的應(yīng)用發(fā)展更是令人期待。Vivek Saxena是 ICF International咨詢公司的航空運(yùn)營副總裁,他表示,3D打印技術(shù)在全球制造行業(yè)的市場份額僅為0.0002%,其在價(jià)值1500億美金的航天航空領(lǐng)域的份額僅為0.002%。但是,很多分析師表示,在未來十年,3D打印技術(shù)將會(huì)帶來20億美金的收益。由此可以看出,3D打印技術(shù)在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。以下是其未來在航天航空領(lǐng)域的5大應(yīng)用:
一、飛機(jī)機(jī)翼制造
現(xiàn)在,很多飛機(jī)的零部件都是使用3D打印技術(shù)制作的,未來,將可以制作整個(gè)波音飛機(jī)的機(jī)翼。3D打印技術(shù)在大型零部件的制作上有很大的局限性,因其內(nèi)部壓力的變化,可以會(huì)使零部件變形。但是,最近BAE Systems發(fā)明了一種全新的制作方式,通過超聲波可以讓金屬零部件更加堅(jiān)固,減少局部壓力。
二、復(fù)雜零部件制作
通用電氣已經(jīng)3D打印出了GE9X引擎,可以在未來的波音77 X長途客機(jī)上使用。3D打印技術(shù)也可以用于原型測試和數(shù)控機(jī)器的角度和公差測試等等。近日,Autodesk和Stratasys合作,3D打印出渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī),展示了3D打印技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)零部件制作的前景。
三、按需制作零部件
目前,NASA下一代太空探索裝置上將使用70個(gè)3D打印的零部件。按需進(jìn)行零部件的制作將直接降低發(fā)送火箭到天空的成本和制作周期。3D按需打印航空零部件已經(jīng)被很多公司使用,像Made in Space等等。通過與美國航天局合作,公司已經(jīng)將一臺(tái)零重力的3D打印機(jī)送向了國際空間站,讓宇航員可以3D打印零部件。
四、無人駕駛航空系統(tǒng)
BAE Systems已經(jīng)公布了2040個(gè)飛機(jī)零部件,將3D打印技術(shù)用于無人機(jī)的研究。這一概念將闡釋無人機(jī)如何檢測災(zāi)情,將工程數(shù)據(jù)傳回地面指揮中心。最終,3D打印無人機(jī)將會(huì)執(zhí)行救援行動(dòng)或監(jiān)控災(zāi)情。盡管這僅僅是一個(gè)概念化的想法,BAE Systems1.17億用于無人機(jī)研發(fā),希望可以將概念變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
五、3DPaaS(3D Printing as a Service)
NASA正在展望探索3D打印作為快速預(yù)原型制造(Rapid Pre-Prototyping)的服務(wù)的未來?!?D打印讓我們可以更簡單地捕捉任務(wù)概念的想象。我們可以看到其他人在想象什么?!盢ASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的IT首席技術(shù)官Tom Soderstrom說。使用3DPaaS,工程師可以獲得同行評(píng)審、替代設(shè)計(jì)概念、最終原型的認(rèn)可。隨著開源設(shè)計(jì)開發(fā)的發(fā)展,來自外界的各種想法都可以集成在一起,因而建造時(shí)間和成本都可以可觀地降低。
航天航空作為3D打印技術(shù)的首要應(yīng)用領(lǐng)域,其技術(shù)優(yōu)勢明顯,但是這絕不是意味著金屬3D打印是無所不能的,在實(shí)際生產(chǎn)中,其技術(shù)應(yīng)用還有很多亟待決絕的問題。比如目前3D打印還無法適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn),滿足不了高精度需求,無法實(shí)現(xiàn)高效率制造等。而且,制約3D打印發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素就是其設(shè)備成本的居高不下,大多數(shù)民用領(lǐng)域還無法承擔(dān)起如此高昂的設(shè)備制造成本。但是隨著材料技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及激光技術(shù)的不斷發(fā)展,制造成本將會(huì)不斷降低,滿足制造業(yè)對生產(chǎn)成本的承受能力,屆時(shí),3D打印將會(huì)在制造領(lǐng)域綻放屬于它的光芒。
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