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领先世界的中国3D打印技术  

2014-09-18 13:21:36|  分类: 军事 |  标签: |举报 |字号 订阅

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   形形色色的3D打印机

 

 

 

领先世界的中国3D打印技术

 

中国军工超越发展惊天秘密

 

 

3D打印建筑

 

 

全球最大3D打印机打印零件 

 

 

 

   歼-15、歼-16、歼-31……近年来,中国军事科技突飞猛进,以先进战机为代表的各种尖端武器密集亮相,让世界看花了眼。近日,权威人士爆出了中国军工迅速发展的秘密——领先世界的3D打印技术。这项被英国《经济学人》认为“将推动实现第三次工业革命”的技术,早已引发美国、欧洲诸国的激烈鏖战,“战火”从空间产品一直蔓延到器官移植,从F-35、F-22等先进武器“烧”到日常用品。现在中国竟然后来居上,最先用于先进战机制造,确实让美欧这些老牌科技强国大跌眼镜。


 

  3D打印助推中国新战机研制

 

    全国两会上汇集着中国最耀眼的各路“明星”,这当然包括全国政协委员、中航工业副总工程师、中国航母舰载机歼-15总设计师孙聪院士。2012年11月,歼-15舰载机在中国首艘航母“辽宁舰”成功起降,让这位科技明星成了记者追逐的对象。 

  “对不起,对不起,这些真不能说”,面对记者提出的几个有关舰载机的问题,担心一开口就说出秘密的孙聪始终微笑着守口如瓶,但还是在不死心的记者“逼问”下,透露了不少“秘密”。

 

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中国歼-20隐形战机 

 

 

  “我想说的是,2012年是我国中航工业和我国航空工业井喷之年让世界震惊的不光是技术,更因为航空工业发展体现了中国速度”,面对《科技日报》的专访,孙聪说。作为我国自行设计研制的首型舰载多用途战斗机,歼-15可以说是 高起点,高起步,从一无所有一下子跨越到第三代战斗机的舰载机,歼-15达到美国最先进的第三代舰载机‘大黄蜂’的技术水准

 

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中国歼-31隐形战机

 

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中国歼-15舰载机

 

  从没有技术储备、技术规范、经验、人才队伍的一张白纸做起,歼-15如何实现这一飞跃?孙聪透露,歼-15项目率先采用了数字化协同设计理念三维数字化设计改变了设计流程,提高了试制效率;五级成熟度管理模式,冲破设计和制造的组织壁垒,而这与3D打印技术关系紧密他透露,钛合金和M100钢的3D打印技术已应用于新机试制过程,主要是主承力部。 

  在传统的战斗机制造流程当中,飞机的3D模型设计好后,需要进行长期的投入来制造水压成型设备,而使用3D打印这种增材制造技术后,零件的成型速度、应用速度得以大幅度提高。如果不是采用3D打印的增材制造技术,歼-15战斗机至今能否首飞都很难讲。

    钛合金3D打印技术已用于新机研制这一条消息立刻成为媒体瞩目的焦点。《京华时报》引述孙聪的话说,钛合金和M100钢的3D打印技术已广泛用于新机设计试制过程报道称,于去年10月至11月首飞成功的机型,广泛使用了3D打印技术制造钛合金主承力部分,包括整个前起落架。“2002年3D打印技术刚萌芽时,我们就进行相关技术研发,通过与北航的合作,目前已具备一定产业能力。

同时担任“鹘鹰”飞机(歼-31)总设计师的孙聪透露另一个好消息,希望“鹘鹰”飞机未来和歼-20进行高低任务搭配,保持持续打击能力,同时也希望“鹘鹰”的改进版能成为中国下一代舰载机。相信在3D打印技术的支持下,这一天也会很快到来。

 

美国空军敏锐抓住“3D打印”

 

  用3D打印技术制造战机,中国并不是第一家。1984年美国开发出从数字数据打印出3D物体的技术,并在2年后开发出第一台商业3D打印机。之所以叫“打印机”,是因为它借鉴了打印机的喷墨技术只不过,普通的打印机是在纸上喷一层墨粉形成二维(2D)文字或图形而3D打印则能“打”出三维的立体实物来 

  以一个手电筒为例,3D打印机能通过电脑将手电筒进行立体扫描,创建三维设计图,之后对这个立体原型进行“切片”,分成一层一层的,之后,打印机就将原材料按照设计图一层一层地“喷”上去,直到最终造出一个手电筒来,只不过3D打印机喷出的不是墨粉,而是融化的树脂、金属或者陶瓷等材料。 

  传统数控制造主要是“去除型”,即在原材料基础上,使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法,去除多余部分,得到零部件,再以拼装、焊接等方法组合成最终产品,而3D打印则颠覆了这一观念,无需原胚和模具,就能直接根据计算机图形数据,通过一层层增加材料的方法直接造出任何形状的物体这不仅缩短产品研制周期、简化产品的制造程序,提高效率,而且大大降低了成本,因此被称为“增材制造”。 

  美国空军一下子就被这种新技术吸引住了,他们认为,如果将这种技术用在武器制造上,产生的威力将是惊人的。在航空工业上广泛被使用的一种金属是钛,它的密度只有钢铁的一半,强度却远胜于绝大多数合金如果通过激光将钛熔化并一层层喷出飞机来,无疑将大大提高美国战机的制造速度为此,1985年在五角大楼主导下,美国秘密开始了钛合金激光成形技术研究,1992年这项技术才公之于众,在2002年美国已将激光成形钛合金零件装上了战机。 

不过,由于在制造过程中钛合金变形、断裂的技术难题无法解决,美国始终无法生产高强度、大尺寸的激光成形钛合金构件。2005年美国从事钛合金激光成型制造业务的商业公司Aeromet由于始终无法生产出性能满足主承力要求的大尺寸复杂钛合金构件,没能实现有价值的市场应用而倒闭美国的其他国家实验室也无法攻克这一难题,只能进行小尺寸钛合金部件的打印或进行钛合金零件表面修复。 

 

中国领跑神奇的“3D打印”

 

  中国的钛合金激光成形技术起步较晚,直到1995年美国解密其研发计划3年后才开始投入研究。早期基本属于跟随美国的学习阶段,不过却后来居上,其中中航激光技术团队取得的成就最为显著早在2000年前后,中航激光技术团队就已开始投入“3D激光焊接快速成型技术”研发,解决了多项世界技术难题、生产出结构复杂、尺寸达到4米量级、性能满足主承力结构要求的产品。 

  目前中国已具备了使用激光成形超过12平方米的复杂钛合金构件的技术和能力,成为目前世界上唯一掌握激光成形钛合金大型主承力构件制造、应用的国家。在解决了材料变形和缺陷控制的难题后,中国生产的钛合金结构部件迅速成为中国航空力量的一项独特优势,目前中国先进战机上的钛合金构件所占比例已超过20%。 

  如果与传统制造技术做一个对比,就会对中国近年新飞机接连亮相的原因有个大概了解。传统钛合金零件制造,主要依靠铸造和锻造,其中铸造零件用于大尺寸制造,美国F-22战机的主要承力部件便是大型铸造钛合金框,但铸造的零件重量较大且无法加工成精细的形状;锻造切削精度较好,但零件制造浪费严重,原料的95%都会被作为废料切掉。让飞机制造商头疼的是,由于受到机器的限制,锻造钛合金的尺寸也不能过大。3万吨大型水压机只能锻造不超过0.8平方米的零件,即使世界最大的8万吨水压机,锻造的零件尺寸也不能超过4.5平方米。而且这两种技术都无法制造复杂的钛合金构件,而焊接则会遇到可怕的钛合金腐蚀现象。 

    激光钛合金成形技术则完全解决了这一系列难题,它节约了90%的昂贵的原材料,还不需要制造专用模具,原本相当于材料成本1-2倍的加工费现在只需原来的10%。加工1吨重的钛合金复杂结构件,传统工艺成本大约2500万元,而激光3D焊接快速成型技术的成本仅130万元左右,仅是传统工艺的5%。 

  更重要的是,许多复杂结构的钛合金构件可以通过3D打印的方式一体成型,不仅节省了工时,还大大提高了材料强度。“观察者网”文章表示,美国F-22战机的钛合金锻件如果使用中国的3D打印技术制造,在强度相当的情况下,重量最多可减少40%。文章表示,在航空领域,在中航成飞和沈飞的下一代战斗机设计研发中,激光钛合金成形技术已得到广泛运用通过这一技术,正在研制的两型第五代战斗机歼-20和歼-31采用钛合金的主体结构,成功降低了飞机的结构重量,提高了战机的推重比;沈飞在一年之内连续组装出歼-15、歼-16、歼-31等多型战斗机并试飞,很大程度上得益于钛合金3D打印的低成本和快速、便捷。 

此外,中国民用航空制造业也开始应用这一技术。在西北工业大学凝固技术国家重点实验室下设的激光制造工程中心,通过激光立体成型技术为将于2014年投产、2016年投入运营的国产客机C-919制造了钛合金翼梁,长度超过5米除制造外,这些部件即使出现问题,也可以使用同样的技术进行修复,而无需重新制造,这将可以节省大量用于更换受损部件的费用。凭借激光钛合金成形技术,中国在航空材料科学领域第一次走在了世界先进水平的前列,正因为如此,今年1月18日国务院向“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”颁发国家技术发明奖一等奖

 

 

飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术获奖视频

 

 

   “3D大战”真的来了 


  中国在钛合金3D打印技术上的突飞猛进,使该领域的先行者美国甚为着急。今年1月14日美国Sciaky公司宣布,他们已成功掌握了突破性的直接制造技术,使用电子束进行钛合金3D打印,制造的零件尺寸可以达到5.8米×1.2米×1.2米 

     Sciaky表示,自己找到了一种比激光更厉害的能量源:电子束。利用功率高达42千瓦的电子束枪,Sciaky的3D打印机可达到超高速,每小时能打印15-40磅金属钛,而大多数竞争者仅能达到每小时5磅从数据上看,这一打印速度和零件尺寸已超过中国不久前中国西北工业大学刚用钛合金激光3D打印技术生产了长度为5米的飞机主承力梁,而中航3D激光打印技术则可打印4米×3米×2米的零件,虽在长度上不如美国,但在面积上仍领先美国 

  美国空军和军工巨头洛克希德·马丁公司立即宣布,与 Sciaky加强合作,用该公司生产的襟副翼翼梁装备正在生产的F-35战斗机。据估计,如果3000多架战机都使用这种技术制造零部件,不仅大大提高“难产”的F-35战机的部署速度,而且还能节省数十亿美元成本。目前,使用3D打印钛合金零件的F-35已经进行了试飞。 

  “3D大战”的“战火”已蔓延至太空。2012年7月美国太空网透露,美国宇航局(NASA)正在测试新一代3D打印机,可以在绕地球飞行时制造设备零部件,并希望把这种打印机送到火星上。早在2002年NASA就研制出3D打印机,能按要求在短短几小时内为建筑物组件或工具制造金属零件。不过由于打印机有些笨重,NASA一直在进行改进。一旦成功,这对美国的太空霸权无异于如虎添翼宇宙飞船里可谓真正的寸土寸金,一旦飞船上面的某个零部件坏了,想换一个新的非常困难,而携带备用零件的话会增加飞船体积和重量。飞船升空时带上一台3D打印机,宇航员们就只需携带所需的金属丝物料,不用携带零部件成品,节省空间的同时减轻了负载,更重要的是,他们几乎可以按需打印任何物品,上太空时,也无需担心发射时遗漏物资和设备。 

  这一消息让另一条航天大鳄——欧洲有些坐不住。今年2月初欧洲航天局宣布,将利用3D打印技术在月球上建立首个人类基地据英国《每日邮报》报道,欧洲航天局计划让机器人携带3D打印机“空降”到月球上,它们将就地取材,利用3D打印技术将月球上的原始土壤转变成建筑材料。欧洲航天局表示,月球基地建筑材料的90%都可能实现就地取材。欧洲太空专家表示,一切进展顺利的话,该月球基地有望在未来40年内投入使用 

    对于各个大国来说,在这场“3D大战”中的输赢可能决定未来的命运。与航空航天业相比,3D技术早已在其他工业制造、生物医疗、建筑工程、个人化定制等领域广泛应用。由于只需要一张三维图就可以“制造任何东西”,如果3D打印机进入家庭,每个人都可以是一家工厂英国《经济学人》杂志认为3D打印技术将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”,整个世界的制造业与物流格局都会因此被彻底颠覆。 

  美国已将3D打印视为再次夺回制造业大国地位的重要技术据《经济日报》报道,2011年中国在工业规模上压倒美国,成为世界第一工业国。此前只有英国和美国两个世界霸主曾占据这一位置。虽然美国依然有发达的金融业和强大的军队,但还是有不少美国人担心美国会因此衰落,而与中国廉价劳动力竞争的一个途径就是通过改进制造技术,提高生产率,通过一台台3D打印机,将那些制造业从中国工人的手上夺回去,打破中国“制造大国”的地位。 

  《湖北日报》表示,在即将到来的第三次工业革命这一历史时刻,中国如果赶不上、抓不住机会,良好发展态势可能会受到影响,就像当年英国人用纺织机“打败”中国、印度的手工织品一样。面对欧美咄咄逼人的攻势,中国必须增强忧患意识令人欣喜的是,在这场“3D大战”中,发达国家目前虽有优势,但我们的差距并不大,如果中国及时重点布局,完全可能“弯道超车”。 

 

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