作為第三次工業(yè)革命制造領(lǐng)域的典型代表技術(shù),3D打印的發(fā)展時(shí)刻受到各界的廣泛關(guān)注。而金屬高性能增材制造技術(shù)金屬3D打印技術(shù)被業(yè)內(nèi)專家視為3D打印領(lǐng)域高難度、高標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展分支,在工業(yè)制造中有著舉足輕重的地位。特別是在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用,更是體現(xiàn)出顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

5月5日,長(zhǎng)征五號(hào)B遙一運(yùn)載火箭在海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)將我國(guó)新一代載人飛船試驗(yàn)船成功送入預(yù)定軌道?；鸺洗钶d了"3D打印機(jī)",在飛行期間自主完成了連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的樣件打印,并驗(yàn)證了微重力環(huán)境下復(fù)合材料3D打印的科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。這是中國(guó)首次開(kāi)展軌道3D打印試驗(yàn),也是全球首次實(shí)現(xiàn)連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的太空3D打印。

7月23日,天問(wèn)一號(hào)開(kāi)啟我國(guó)首次自主火星探測(cè)任務(wù),"天問(wèn)一號(hào)"火星探測(cè)器上,安裝使用了3D打印定制的零部件,其中包含相當(dāng)一部分的金屬3D打印零件鈦合金等,以其高強(qiáng)度、耐高溫、耐輻射等各種高性能特征,滿足在火星惡劣環(huán)境中正常工作運(yùn)行的要求。

3D打印的多種優(yōu)勢(shì)正在顯現(xiàn):縮短新型航空航天裝備的研發(fā)周期,提高材料的利用率,節(jié)約昂貴的戰(zhàn)略材料,降低制造成本,提升設(shè)計(jì)自由度,優(yōu)化零件結(jié)構(gòu),減輕重量,減少應(yīng)力集中,增加使用壽命,使得零部件更容易得到修復(fù)等。

如今,中國(guó)的航空航天企業(yè)已經(jīng)不再遲疑是不是該采用3D打印技術(shù),而是集中精力探索如何通過(guò)3D打印技術(shù)保持航空航天制造技術(shù)的領(lǐng)先性,通過(guò)3D打印技術(shù)助力航空航天中國(guó)夢(mèng)!

高端制造云端計(jì)劃——向著3D打印大型機(jī)的研制規(guī)劃和面向?qū)嶋H應(yīng)用進(jìn)軍

金屬3D打印技術(shù)在航空方面的應(yīng)用主要是大尺寸、特殊材料、特殊結(jié)構(gòu)和減重。

減重對(duì)于航空業(yè)來(lái)說(shuō)可是極為重要的突破與福音。以航空領(lǐng)域?yàn)槔?減輕1kg的結(jié)構(gòu)重量就可以帶來(lái)4kg附加重量的減少,在整個(gè)飛機(jī)的運(yùn)行壽命過(guò)程中則可以節(jié)省4.5萬(wàn)升燃油,換算下來(lái)可節(jié)省2.9萬(wàn)歐元的成本。

減重的方式一方面通過(guò)使用質(zhì)量更輕、性能更強(qiáng)的先進(jìn)材料替代現(xiàn)有材料,另一種就是對(duì)現(xiàn)有飛機(jī)零部件進(jìn)行基于3D打印的輕量化設(shè)計(jì),包括對(duì)中空夾層、鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、一體化結(jié)構(gòu)以及異形拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)等。

無(wú)論是3D打印的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件,還是飛機(jī)機(jī)艙中的大型零部件,在航空制造業(yè)所進(jìn)行的大量3D打印探索中,輕量化設(shè)計(jì)都是這些零部件的共同特點(diǎn)。比如,空中客車已經(jīng)在其A350 XWB飛機(jī)上安裝了1000多種3D打印零件。在我國(guó),這些金屬增材零件也往往都是用在國(guó)之重器上。

今年3月,國(guó)內(nèi)金屬3D打印龍頭企業(yè)西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司推出了大幅面激光選區(qū)熔化設(shè)備BLT-S450可選單激光/雙激光/四激光三種配置,將3D打印增材制造技術(shù)在航天液體動(dòng)力領(lǐng)域大尺寸、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、高性能構(gòu)件擴(kuò)展應(yīng)用和國(guó)產(chǎn)增材制造裝備的研發(fā)升級(jí)又向前推進(jìn)了一大步。

它特別適應(yīng)航空航天領(lǐng)域大尺寸零部件增材制造成形時(shí)間長(zhǎng)、可靠性要求高等研制需求,使零部件的最大成形尺寸可達(dá)450mm×450mm×500mm,滿足大推力重型運(yùn)載液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件大尺寸、復(fù)雜曲面精密結(jié)構(gòu)成形、高工況等要求,為航天液體動(dòng)力領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展賦能。BLT-S450還是面向未來(lái)智能工廠的金屬增材制造集成系統(tǒng),核心技術(shù)和應(yīng)用價(jià)值都處于世界先進(jìn)水平。而今年6月推出的BLT-S600成形尺寸為600mmX600mmX600mm則是全球首臺(tái)三向成形尺寸均突破500mm的大尺寸、四激光金屬增材制造設(shè)備。

前沿開(kāi)拓,引領(lǐng)創(chuàng)新——作為大尺寸增材制造技術(shù)不斷創(chuàng)造新高的領(lǐng)軍者

不僅如此,大尺寸、輕量化3D打印的優(yōu)勢(shì)在民營(yíng)航天領(lǐng)域也越來(lái)越得到凸顯。在國(guó)外,Blue Origin采用3D打印技術(shù)打印出BE-4火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的殼體、渦輪、噴嘴、轉(zhuǎn)子;美國(guó)航空航天局通過(guò)3D打印實(shí)現(xiàn)最為復(fù)雜的火箭零部件,并采用選區(qū)激光熔化的3D打印技術(shù)生產(chǎn)渦輪泵,與傳統(tǒng)的焊接和裝配技術(shù)相比,使原材料消耗減少45左右。

德國(guó)Fraunhofer研究所Fraunhofer IWS揭示了一種增材制造-3D打印塞式噴管發(fā)動(dòng)機(jī),該發(fā)動(dòng)機(jī)用于微型衛(wèi)星發(fā)射器,其有效載荷可達(dá)350公斤。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比,這款發(fā)動(dòng)機(jī)在輕量化和燃料節(jié)省方面均具有明顯優(yōu)勢(shì)。

國(guó)內(nèi)的零壹空間、深藍(lán)航天、星際榮耀、千乘科技等新一代航天企業(yè)在應(yīng)用3D打印方面也正獲得不斷的突破。其中,深藍(lán)航天對(duì)主要功能部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室效率從95到99的技術(shù)跨越,承擔(dān)這一任務(wù)的正是來(lái)自鉑力特大尺寸金屬增材制造裝備,分別完成了試車發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器殼體和推力室身部?jī)蓚€(gè)零件的金屬3D打印工作。

與此同時(shí),已完成上天任務(wù)的千乘一號(hào)衛(wèi)星整星結(jié)構(gòu)采用面向增材制造的輕量化三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,最終實(shí)現(xiàn)打印成形的亦是通過(guò)鉑力特大尺寸金屬增材制造設(shè)備。通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)工藝我們可以看到,通過(guò)3D打印實(shí)現(xiàn)的千乘一號(hào)微小衛(wèi)星的整星結(jié)構(gòu)重量占比降低至15以內(nèi),整星頻率提高至110Hz傳統(tǒng)微小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)重量占比為20左右,整星頻率一般為70Hz左右,整星結(jié)構(gòu)零部件數(shù)量縮減為5件,設(shè)計(jì)及制備周期縮短至1個(gè)月。而整星結(jié)構(gòu)尺寸超過(guò)500mm×500mm×500mm包絡(luò)尺寸,也是目前最大的增材制造一體成形衛(wèi)星結(jié)構(gòu)。

事實(shí)上,大尺寸一直以來(lái)都是金屬增材制造裝備發(fā)展的重要方向,更大的成形尺寸可以顯著擴(kuò)大金屬增材制造技術(shù)的應(yīng)用范圍,解決大尺寸復(fù)雜構(gòu)件傳統(tǒng)制造過(guò)程中的難點(diǎn)和痛點(diǎn),還可以實(shí)現(xiàn)中小尺寸復(fù)雜構(gòu)件的批量化生產(chǎn),提供短流程、數(shù)字化、品質(zhì)可控的先進(jìn)解決方案。

在大尺寸增材制造技術(shù)上不斷探索突破并且引領(lǐng)創(chuàng)新的西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司,在每推出一臺(tái)新機(jī)型之前,都要保證經(jīng)過(guò)40000小時(shí)以上的產(chǎn)品打印實(shí)測(cè),好幾輪的方案設(shè)計(jì)迭代,近50次的細(xì)節(jié)修正,設(shè)備單次不停機(jī)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)1000小時(shí)以上。在不斷創(chuàng)造新高的道路上,鉑力特一直沒(méi)有停止過(guò)對(duì)工藝的研發(fā)及其在應(yīng)用性能上的精益求精,從而推動(dòng)行業(yè)向著更高性能裝備和應(yīng)用水平發(fā)展。對(duì)于鉑力特來(lái)說(shuō),考驗(yàn)大尺寸金屬增材制造設(shè)備的核心要素并不是"誰(shuí)的尺寸更大",而是設(shè)備能否保證長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行、高效率連續(xù)生產(chǎn)以及成形零件內(nèi)外部品質(zhì)優(yōu)異可控,賦能大尺寸復(fù)雜構(gòu)件成形以及中小尺寸復(fù)雜零件的批量生產(chǎn)。

自2020年3月以來(lái),鉑力特先后將多次研發(fā)迭代、實(shí)測(cè)時(shí)間均在幾萬(wàn)小時(shí)級(jí)別的BLT-S450、BLT-S600推入市場(chǎng),圍繞著符合市場(chǎng)真實(shí)需求的成形尺寸、質(zhì)量管控軟件、模塊化管理和售后保障等多方面,不斷精益、優(yōu)化。

8月25日,,鉑力特推出BLT-S510,并在此之前完成了400mmX400mmX780mm的鈦合金航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片,以及尺寸為327mmX317mmX360mm、重量為4.2kg鋁合金導(dǎo)軌支架等的成功打印。以鈦合金航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片為例,通過(guò)BLT-S510這一金屬3D打印設(shè)備,鉑力特在對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中空葉片進(jìn)行原型優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,使內(nèi)部鏤空的風(fēng)扇葉片一次成形,與傳統(tǒng)機(jī)加工相比,加工周期短,節(jié)約原材料。鉑力特BLT-S510經(jīng)過(guò)兩年匠心設(shè)計(jì),積累五年使用經(jīng)驗(yàn),以及二十余臺(tái)設(shè)備生產(chǎn)驗(yàn)證,在成形尺寸、分層厚度、激光器功率及數(shù)量、最大掃描速度、重復(fù)定位精度、預(yù)熱溫度、氧含量控制、鋪粉效率等核心技術(shù)指標(biāo)都達(dá)到國(guó)內(nèi)外同類領(lǐng)先產(chǎn)品的水平;其出品零件具備通過(guò)航空航天重要質(zhì)量認(rèn)證的能力;多項(xiàng)自主研發(fā)軟件技術(shù)功能,保障設(shè)備成形質(zhì)量和穩(wěn)定性;相較于很多具備大尺寸成形但沒(méi)有經(jīng)過(guò)生產(chǎn)驗(yàn)證的同類企業(yè),鉑力特最大的優(yōu)勢(shì)是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間、多種零件結(jié)構(gòu)、多種類型的驗(yàn)證,積累了豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、工藝參數(shù)經(jīng)驗(yàn),并具備專業(yè)、國(guó)際化的檢測(cè)能力。鉑力特檢測(cè)中心的金屬材料化學(xué)成分分析、材料力學(xué)性能檢測(cè)、微觀組織檢測(cè)、幾何量檢測(cè)、X射線檢測(cè)、熒光滲透檢測(cè)等檢測(cè)項(xiàng)目,其中,材料測(cè)試、無(wú)損檢測(cè)、熱處理、測(cè)量檢驗(yàn)四項(xiàng)獲得Nadcap認(rèn)證,這表明該鉑力特增材制造裝備的特種工藝及檢驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)水平、規(guī)范管理等均處于國(guó)際水平。

除此之外,鉑力特BLT-S510還具備獨(dú)特的自主研發(fā)的多振鏡控制系統(tǒng)和質(zhì)量追溯系統(tǒng)。多振鏡系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多振鏡協(xié)同工作,使得搭接處成形尺寸誤差最小化,搭接處熔融質(zhì)量等同與或優(yōu)于單振鏡打印區(qū)的熔融質(zhì)量。質(zhì)量追溯系統(tǒng)包含高清攝像機(jī)、傳感器、光柵尺、數(shù)據(jù)庫(kù)軟件等,實(shí)現(xiàn)打印過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄,保證零件打印過(guò)程全程可追溯。設(shè)備頂部安裝的高清攝像機(jī),對(duì)每一層的打印狀態(tài)及鋪粉狀態(tài)進(jìn)行拍照并保存,通過(guò)觀察已保存的照片可以對(duì)零件所有打印層狀態(tài)進(jìn)行檢查,從而在打印過(guò)程中就可識(shí)別孔隙缺陷、裂紋缺陷、吹風(fēng)缺陷、打印缺陷等多種缺陷,有效保證設(shè)備高產(chǎn)值高成品率,為設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。不僅如此,設(shè)備還搭載了鉑力特自主研發(fā)的BLT-MCS軟件的同步出光、自動(dòng)振鏡拼接、故障智能診斷、智能粉量調(diào)整等標(biāo)配功能,亦可增配掃描質(zhì)量檢測(cè)等功能和BLT-MES系統(tǒng),幫助用戶實(shí)現(xiàn)定制化智能管理。

基于此,鉑力特董事長(zhǎng)兼總經(jīng)理薛蕾博士在接受光明網(wǎng)訪談時(shí)說(shuō),"金屬3D打印的材料、裝備和工藝是互相耦合的,缺一不可。用戶需要的,往往是集合了設(shè)備、工藝、材料和設(shè)計(jì)等元素的綜合解決方案。深耕材料,自研設(shè)備,不斷提高服務(wù)能力,布局全產(chǎn)業(yè)鏈,更好地將高水平服務(wù)能力與設(shè)備結(jié)合,打包形成高性價(jià)比的解決方案,為設(shè)備用戶提供"交鑰匙"一站式解決服務(wù)。"

以鉑力特為代表的3D打印金屬增材裝備與制造,必將革故鼎新、斷鰲立極,每一次的技術(shù)攻關(guān)都必將激勵(lì)著設(shè)計(jì)、工藝、制造的雄心與壯志。作為工業(yè)界皇冠上的璀璨明珠,航空航天制造領(lǐng)域集成了一個(gè)國(guó)家所有的高精尖技術(shù),使國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃得以實(shí)施,而金屬3D技術(shù)作為一項(xiàng)重要的制造技術(shù),更將隨著材料技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及激光技術(shù)的不斷發(fā)展,在航天航空高端制造領(lǐng)域進(jìn)一步綻放它的光芒,發(fā)揮國(guó)之重器的強(qiáng)大力量。讓我們拭目以待。