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3D打印實現(xiàn)飛機“中國造”

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2014-10-20     來源:[標(biāo)簽:出處]     作者:[標(biāo)簽:作者]     瀏覽次數(shù):97
核心提示:

你能想象萬里長城、摩天大樓等巨型建筑物通過打印的方式被建造出來;甚至說,你的臉、手、腳……也被打印復(fù)制出來嗎?這在未來的某一天或許將不再是奢望。

近日,英國期刊《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》以“3D打。喝f里長城的新磚瓦”為題報道了增材制造技術(shù)在中國的飛速發(fā)展。其中介紹,“中國最大的3D打印機能制造出高性能、難加工大型飛機復(fù)雜整體關(guān)鍵構(gòu)件”。這項代表著先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展方向、在重大裝備制造中具有巨大應(yīng)用價值的“飛機鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”,使我國成為目前世界上唯一突破飛機鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)、實現(xiàn)裝機應(yīng)用的國家,并因此獲得“2012年度國家技術(shù)發(fā)明一等獎”。

這臺打印機和這項技術(shù),屬于北京航空航天大學(xué)的王華明教授和他的創(chuàng)新團(tuán)隊。

瞄準(zhǔn)國際前沿:中國團(tuán)隊的“神奇變形術(shù)”

一束激光,有規(guī)則地在金屬材料上游走,所過之處,金屬神奇地生長。這束奇特的激光可以制造出飛機上任意一種復(fù)雜形狀的大型零件,宛如“變形金剛”,令公眾大呼“神奇”。

“要是用飛機鈦合金大型關(guān)鍵構(gòu)件的傳統(tǒng)制造方法,等零件最后成形,90%的材料都被切削、浪費掉了!斌@嘆背后,數(shù)十年致力于材料科學(xué)研究的團(tuán)隊負(fù)責(zé)人王華明坦言,瞄準(zhǔn)這一國際前沿技術(shù)的初衷在于“看不得浪費”,“傳統(tǒng)飛機鈦合金大型關(guān)鍵構(gòu)件的制造方法是鍛造和機械加工。先要熔鑄大型鈦合金鑄錠、鍛造制坯、加工大型鍛造模具,然后再用萬噸級水壓機等大型鍛造設(shè)備鍛造出零件毛坯,最后再對毛坯零件進(jìn)行大量機械加工。整個工序下來,耗時費力,總花費要高達(dá)幾十個億,光大型模具的加工就要用一年以上的時間,要動用幾萬噸級的水壓機來工作,要大量供電,甚至需要建電廠!

落后的傳統(tǒng)工藝激發(fā)了王華明和團(tuán)隊成員攻堅克難的斗志,也讓一個關(guān)于“中國制造”的夢想悄然植根——“如果有一天,中國飛機上許多關(guān)鍵大型復(fù)雜高性能主承力構(gòu)件都能采用我們激光直接制造技術(shù),實現(xiàn)低成本、短周期、快速制造該多好!”

夢想激勵下,從2000年開始,王華明和他的科研團(tuán)隊啟動攻關(guān),圍繞大型復(fù)雜零件鍛造技術(shù),不斷創(chuàng)新,尋求突破,利用5年時間走出了一條與傳統(tǒng)方法截然不同的新路子。

他們探索了一種做“加法”的高性能金屬零件制造方式——通過計算機控制,用激光將合金粉末熔化,并跟隨激光有規(guī)則地在金屬材料上游走,逐層堆積直接“生長”,直接根據(jù)零件CAD模型一步完成大型復(fù)雜高性能金屬零部件的“近終成形”制造。

這項技術(shù)可以制造出飛機上任意一種復(fù)雜形狀的大型零件,宛如“變形金剛”,它的特點——高性能、低成本、短周期正好彌補了傳統(tǒng)制造方法的不足,而且使得很多傳統(tǒng)方法不能做出的構(gòu)件成為可能。

過去兩三年才能做好的復(fù)雜大型零件,現(xiàn)在兩三個月就能完成,而且只需兩三個人在實驗室里操作。如今,王華明他們的“變形金剛術(shù)”制作的零件已實實在在地裝上了飛機,使我國成為世界上唯一掌握飛機鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形及在飛機上裝機應(yīng)用技術(shù)的國家。

立足國家需求:“為國家造,有意義!”

王華明始終認(rèn)為所有的創(chuàng)新都始于對實踐和對現(xiàn)有知識的深度認(rèn)識與靈活應(yīng)用。要想創(chuàng)新必須腳踏實地,必須結(jié)合國家重大戰(zhàn)略需求,創(chuàng)造具有實際價值的創(chuàng)新成果。十多年來,他這種追求創(chuàng)新的精神也潛移默化地影響了他的學(xué)生們。

2001年,湯海波考上王華明教授的碩士研究生時,王華明就已經(jīng)在做激光增材制造技術(shù)!爱(dāng)時王老師提出這個瞄準(zhǔn)國家戰(zhàn)略需求和國際學(xué)科前沿發(fā)展方向的研究領(lǐng)域,以及與我國主要飛機設(shè)計所、制造公司合作的這種產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的模式,對我們研究生有一種很大的吸引力。”湯海波毫不猶豫地選擇了跟隨王老師從事這方面的研究,如今他已經(jīng)博士畢業(yè)留校,成為這個團(tuán)隊的骨干力量。

與他一樣,被這種“非常有意義的”目標(biāo)所吸引而進(jìn)入這個團(tuán)隊,還有很多學(xué)生。

張述泉2003年讀碩士正式加入王華明研究團(tuán)隊時,正趕上激光增材制造技術(shù)從科研摸索階段步入初步工程化階段。他十分享受帶著紅外眼鏡,守在機器旁看著一個150毫米的小零件在激光中慢慢“生長”出來的過程。

“那時候,七八個小時能做出一個A4紙大小的次承力結(jié)構(gòu)件出來,我們都高興得不得了!比欢趺匆矝]想到,經(jīng)過近10年的持續(xù)努力后,他們將會做出外廓尺寸超過5平方米的飛機高性能鈦合金主承力結(jié)構(gòu)件來。

研制出的產(chǎn)品從150毫米到5平方米不僅是一個量的飛越,而且也是質(zhì)的飛躍,其技術(shù)難度可想而知,經(jīng)歷的失敗和技術(shù)研發(fā)的艱辛只有他們能體驗和享受。

張述泉將團(tuán)隊的跨越式發(fā)展歸功于設(shè)計所的主導(dǎo)需求牽引的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合模式,“如果當(dāng)時沒有這種產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的模式,沒有國家重大需求的牽引主導(dǎo)作用,可能我們的研究進(jìn)程就比現(xiàn)在慢,需求牽引、產(chǎn)學(xué)研融合協(xié)同的創(chuàng)新模式也在推動我們跨越式的發(fā)展。”

發(fā)揮產(chǎn)業(yè)力量:讓中國飛機真正“made in China”

我國自主研發(fā)的大型客機C919機頭鈦合金主風(fēng)擋整體窗框,尺寸大、形狀復(fù)雜,是空間雙曲面構(gòu)件。國內(nèi)的飛機制造廠用傳統(tǒng)方法無法做出,只有歐洲一家公司能做出來,但是光每件模具費就要價50萬美元,而交貨周期還要等兩年。2009年,王華明團(tuán)隊僅僅用55天時間就做出了零件,而且成本還不足歐洲鍛造模具費的十分之一。大型客機研制中央翼一號肋鈦合金上緣條,傳統(tǒng)鍛件毛坯重達(dá)超過1600公斤,而采用他們研發(fā)成功的激光直接成形技術(shù)制造出的精坯重量還不到137公斤,節(jié)省鈦合金90%以上,

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