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全球3D打印技术在航空领域中的应用前景分析

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3D打印技术是在上世纪70年代末期开始出现,主要应用于产品研制阶段的“快速原型”和生产阶段的“快速制造”。3D打印技术与曾经应用于工业生产的堆焊工艺方法相似,之所以称为3D打印,就是在成型工艺上采用CAD和计算机3D模型数据,将两维基材通过不同融合方式组合成三维结构。用在航空生产上的工艺方法主要有激光近净成形技术(LENS)、激光选区熔化技术(SLM)及电子束选区熔化技术(EBSM)。


  3D打印复杂框类结构毛坯的减重效果比较明显,如F-22最大面积锻造结构框的毛坯重量为2790千克,毛坯加工后的净重量只有144千克,材料去除比例达到了95%!如果按照已经能够验证的工艺要求制造盘形复杂结构零件,锻造工艺无法直接制成细节结构,材料利用率只有毛坯重量的约10%。铸造则可以完成部分细节的粗略成型,毛坯实际利用率可达到总重量的20%~25%。3D打印可以直接制成与成品接近的外形,考虑到外表加工工艺和材料品质要求,成品零件可以达到毛坯总重的60%~70%,材料利用率和机加工效率都有很大提高。


  相对的,铸造成型模具的再利用效果比较好,成品芯型能进行批量毛坯的制造。锻造的锻压模具成本虽然很高,工艺设备标准要求也高,但锻造也有利于进行批次生产毛坯的成型。3D打印采用增材制造的工艺手段,无论只制造1个还是批制造100个,单件的生产时间和成本均没有任何差异,零件的成型工艺要求和品质控制则更为严格。


  3D打印与其它制坯方式的对比


  现阶段3D打印技术的航空应用主要集中在金属结构,以坯材成型加工难度大的钛合金和合金钢为主,加工难度低的铝材则更适合采用锻铸方式成型。3D打印航空零件的应用已比较广泛。国外用于F-22的3D成型TC4接头已经达到2倍设计疲劳寿命,F/A-18的翼根吊架结构强度达到设计要求的225%,疲劳寿命也达到4倍设计要求,C-17等型号的进气道附件也都开始批量应用3D打印,部分3D打印件已能在现有机型制造中替代钣金和精铸件。


  中国在航空3D打印方面取得了很大的成绩,已有多个型号应用3D打印的承力结构,达到了缩短制造周期和简化工艺的效果,对产品减重的作用也比较明显,宣传资料中甚至有过减重40%的说法。国内很多军迷仅根据这个40%和类似说法,就对航空结构减重抱有很大希望,而这个40%虽然理论上存在可能,但要受到非常严格的条件和应用限制。


  SLM制成品的尺寸精度较高,但成型体结构密度控制效果不好,难以承受高载荷的结构效应,承力结构的3D打印主要采用的是LENS。按照已经公开的3D打印整体框架坯材外形对比,3D打印件毛坯重量大致只有锻造的15%,这是3D打印的技术优势,但坯材减重比并不代表最终制成品的重量对比。飞机的整体结构框架的设计要考虑到轻巧、坚固,以及工艺和成品机械/理化性能的一致性,结构设计必须严格满足标准化的要求,不同机型类似结构的设计并没有大的差异。


  展览上公开的3D打印承力框架制成品,结构设计与锻造框架并没有任何差别,区别仅体现在毛坯成型的工艺方式。3D打印的LENS和SLM工艺均已比较成熟,无论是采用激光还是电子束作为能量源,无论是使用粉材还是丝材作为基材,材料本身的理化条件并不会因为加工方式不同而变化。按现有技术,近净成型烧结的材料理论密度比锻造低近1%,选区熔化方式成型的粉末材质密度相对较小,与锻造件的密度差别也在3%以内,工艺实现条件越好材料密度差异就越小。


  无论采用什么样的3D成型方式,同样零件的材料性能如果没有大的差别,零件的制成品重量就不会存在明显的差别。所以说,3D打印坯材加工方式取得的减重效应非常有限,考虑到目前3D打印的材料性能还不够完善,相比成熟的锻造结构容限保险设计更多,同样设计结构件的净重甚至还要重些。


  按照已公开的数据看,3D打印钛合金零件的成品件,抗拉强度和硬度已达到锻件的标准,但疲劳寿命和裂纹容限受工艺影响较大,未来相当时间里还缺乏全面替代锻造的条件。美国飞机制造中大量应用整体锻造框架,对高风险的3D打印的应用不够积极,就是考虑到了制成品寿命和质量控制困难的因素。中国在新机制造上应用3D打印承力结构的同时,还投入很大资金和技术力量开发大型锻压机,也是因3D打印无法解决大型制造成品的批生产要求。3D打印与锻/铸造各有优势,只要航空设计和生产体系还基于传统工业技术,锻/铸和轧压仍将是主要工艺成型手段,3D打印的结构减重效应就很难得到体现。

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(来源:南极熊)
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