航空航天發展趨勢精品(七篇)

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篇(1)

關鍵詞：增材制造技術；金屬快速成型；工程應用；發展趨勢

中圖分類號：TB47 文獻標志碼：A

增材制造技術又稱快速成型技術（RapidPro－totyping，RP），是20世紀80年代中期發展起來的一種利用材料堆積法制造實物產品的一項高新技術．該技術借助計算機、激光、精密傳動和數控等手段，將計算機輔助設計（CAD）和計算機輔助制造（CAM）集成于一體，以逐層累積的建造方式在短時間內直接制造產品樣品，無需傳統的機械加工設備和工藝，顯著地縮短了產品開發的周期，增強了企業的競爭能力［1］．相比傳統機械制造方法，增材制造技術可以實現任意復雜結構模具等的快速制造，在單件或小批量生產用機械制造過程中，具有制造成本低，周期短的優勢，因此廣泛應用于機械制造業［2］．

1增材制造技術發展現狀

1．1增材制造技術在國外的發展

增材制造技術最早出現在1892年，美國Blan－ther用分層制造法構成地形圖并申請了專利，開啟了該技術發展的序幕．20世紀80年代，RP技術經歷了快速及根本性的發展，僅在1986～1998年期間注冊的美國專利就有274個［3］．美國的3DSystems公司于1988年生產出了世界上第一臺液態光敏樹脂選擇性固化快速成型機（SLA－250）．20世紀90年代后期，出現了3DP、SDM、SGC、FDM等十幾種不同的快速成型技術．2012年美國總統奧巴馬為重振美國制造業提出一系列計劃，將3D打印技術列為11項重要技術之一．英國技術戰略委員會“未來的高附加值制造技術展望”中，把增材制造技術列為提升國家競爭力，應對未來挑戰的22個應優先發展技術之一［4］．目前，美國Ford汽車公司和DuPont公司已經在他們的生產線上采用RP技術，美國Pratt＆Whitney公司已應用RP技術制造鑄造熔模．歐洲和日本等國家也不甘落后，紛紛進行RP技術及設備研制等方面的研究工作，如德國的EOS公司、以色列的Cubital公司以及日本的CMET公司等［3］．近年來，采用RP設備最積極的地區是東亞，尤其是韓國、香港、新加坡［5］．國外RP技術在航天航空、汽車交通、醫療器械、藝術創作等多個領域得到應用．

1．2增材制造技術在國內的發展

我國于90年代初才開始增材制造技術研究，雖短短20余年時間，卻得到了工業界的高度重視，發展迅速．2013年，國內媒體紛紛報道，將RP技術稱為“3D打印—無所不能的未來”［6］、“幾乎顛覆傳統的制造模式”［7］等．我國已擬定增材制造技術路線圖和中長期發展戰略，中國工程院2012年1號文件內容即為進行“增材制造技術工程科技發展戰略的研究”，成立了由華中科技大學、西安交通大學、清華大學、北京航天航空大學、西北工業大學和國防科工委625所等專家組成的工作組，并已在2013年3月提交相關咨詢研究報告［4］．目前，我國已初步形成增材制造設備和材料的制造體系．部分國產設備已接近或達到美國公司同類產品的水平，設備及材料價格便宜．在國家科學技術部的支持下，我國已在深圳、天津、上海、西安等地建立一批向企業提供快速成形技術的服務機構，推動了增材制造技術在我國的廣泛應用．另外，我國的部分科研院所和企業已研發出光固化、金屬熔敷、生物制造、陶瓷成形、激光燒結、金屬燒結、生物制造等類型的增材制造裝備和材料［8］，取得了很好的效果．但與工業化國家相比，我國RP技術的研究和應用尚存在一定的差距．

2增材制造技術基本成型原理與工藝

2．1增材制造技術的原理

增材制造技術是采用離散∕堆積成型的原理，通過離散獲得堆積的路徑、限制和方式，經過材料堆積疊加形成三維實體的一種前沿材料成型技術［9］．其過程為：對具有CAD構造的產品三維模型進行分層切片，得到各層界面的輪廓，按照這些輪廓，激光束選擇性地切割一層層的紙（或樹脂固化、粉末燒結等），形成各界面并逐步疊加成三維產品［10］．由于增材制造技術把復雜的三維制造轉化為一系列二維制造的疊加，因而可以在沒有模具和工具的條件下生成任意復雜的零部件，極大地提高了生產效率和制造柔性［11］．增材制造技術體系可分解為幾個彼此聯系的基本環節：三維模型構造、近似處理、切片處理、堆積成形、后處理等．增材制造過程如圖1所示．

2．2增材制造技術的制造工藝

隨著CAD建模和光機電一體化技術的發展，增材制造技術的工藝發展很快，按照所用材料和建造技術的不同，目前投入應用的已有十余種工藝方法．其中發展較為成熟的主要有光固化立體成型、分層實體制造、選擇性激光燒結等．上述工藝發展較為成熟，在此不再贅述．金屬直接成形法可以實現具有較高致密度和力學性能產品的快速制造，但工藝難度大，因此整體還處于技術研究階段［2］．現將發展潛力較大、較前沿的金屬直接成型工藝進行重點介紹．2．2．1激光立體成形技術激光立體成形技術（LSF）是在快速成形技術和大功率激光熔覆技術蓬勃發展的基礎上迅速發展起來的一項新的先進制造技術［12］．該技術綜合了激光技術、材料技術、計算機輔助設計、計算機輔助制造技術和數控技術等先進制造技術，通過逐層熔化、堆積金屬粉末，能夠直接從數據生成三維實體零件，具有無模具、短周期、近凈成形、組織均勻致密、無宏觀偏析等優點［13］．這項技術尤其適用于大型復雜結構零件的整體制造，在航空航天等高技術領域具有廣闊的發展前景．目前，LSF的研究不斷取得突破性進展，發展迅速．如西北工業大學凝固技術國家重點實驗室，在國內率先提出LSF發展構思，并研發一套完整的高性能致密金屬零件的激光立體成形理論、技術與裝備，榮獲陜西省科學技術一等獎［14］．近年來，LSF在大型鈦合金構件的研究方面取得重大突破，解決了其變形控制、幾何尺寸控制、冶金質量控制、系統裝備等方面的一系列難題［4］，如試制成功C9飛機翼肋TC4上下緣條構件．另外，LSF在一些理論研究方面也取得一些進展，如激光成形凝固組織的理論分析；TC4合金的α＋β兩相組織控制、斷裂韌性、疲勞性能的研究；激光立體成形鎳基合金室溫拉伸和高溫持久性能研究等．LSF在航空航天領域的設備修復、激光組合制造、現場維修和再制造以及醫用植入體應用等領域已得到廣泛應用．其中，航空航天領域研究進展顯著，如航空航天高性能薄壁零件的成形、挽救常規技術不可修復的航空發動機零件、修復高推重比航空發動機整體葉盤、尾氣能量處理透平機0Cr17Ni4Cu4Nb葉輪修復［4］等．LSF發展較快，已在國內外獲得廣泛應用，還須在工藝研究進一步系統化、理論研究繼續深化、發展激光涂覆過程的實時觀測技術、開發適用于該技術的合金材料、成形精度與成形速率如何達到最佳匹配［15］等方面加大研究力度．2．2．2激光選區熔化工藝激光選區熔化工藝（SLM）是激光選區燒結技術的一種升級和衍生，是直接進行金屬打印的最新前沿技術之一．該技術為將零部件CAD模型分層切片，采用預鋪粉的方式，掃描鏡帶動激光束在計算機控制下沿圖形軌跡掃描選定區域的合金粉末層，使其熔化并沉積出與切片厚度一致、形狀為零件某個橫截面的金屬薄層，直到制造出與構件CAD模型一致的金屬零件［16］．其工藝原理圖如圖2所示，SLM制造激光功率一般在數百瓦級，精度高（最高可達0．05mm），質量好，加工余量?。艿呐浜厦嬷猓圃斓漠a品一般經噴砂或拋光等后續簡單處理就可直接使用．該技術燒結速度快，成型件質量精度高，適合中、小型復雜結構件，尤其是復雜薄壁型腔結構件的高精度整體快速制造［16］．SLM可為生產高精密、復雜器件提供全新的制造方法，應用前景廣闊．如：美國GE公司在各大型企業中率先成立金屬材料激光熔化增材制造研發團隊，并在LEAP噴氣發動機中采用SLM制造燃油噴嘴；美國NASA馬歇爾航天飛行中心于2012年采用激光選區熔化成形技術制造了復雜結構金屬零部件樣件，用于“太空發射系統”重型運載火箭；2013年8月，NASA對SLM制造的J－2X發動機噴注器樣件進行了熱試車試驗并獲得成功；美國加利福尼亞大學圣迭戈分校太空發展探索團隊用3D打印方法制造火箭發動機推力室組件等［16］．在設備開發方面，早在2004年，華南理工大學與北京隆源合作，在國內選區激光燒結設備的基礎上首先開發出選區激光熔化快速制造設備Dimetal－240．2012年，華南理工大學研發出最新精密型Dimetal－100成型機［17］．目前，各研究機構一直致力于高（變）致密度、成型角度、薄壁、力學性能等基礎研究，適用于該技術的各種金屬材料及工藝研究有待開發．

3增材制造技術的應用典型

3．1設計驗證方面的應用

增材制造技術在設計驗證方面應用廣泛，可應用于航天系統功能性風扇組裝、進行功能性和聲響測試，使得模擬實際旋轉速度達15000r／min，遴選出問題解決方案，節約成本［18］．保時捷將其用于功能性測試，以便分析冷凍液流動特性，改變設計以減少紊流．另外，美國GE公司采用增材制造技術用1個零件代替原設計20個零件組成的飛機發動機噴嘴，減重25％，增效15％，制造成本大幅度降低，已大批量生產；美國公司還采用增材制造技術，成形了能耐熱3300°C的復合材料航天發動機零件，使其成為“龍飛船2號推力達到龍飛船1號推力的200倍”技術的關鍵［19］．增材制造技術還可應用于機器人表面映射反饋輔助原型設計［20］、光彈應力分析等．光彈應力分析時，需將作用于激光快速原型工件上的應力可視化，以識別設計不足的區域．圖3為增材制造技術設計驗證的部分應用.

3．2模具制造方面的應用

增材制造技術在模具制造方面的應用廣泛，主要分為軟模具制造和硬模具制造．利用真空澆注軟硅膠模翻模技術，可生產小批量的類似工程塑料、聚氨酯等產件．快速鑄造方面，光敏樹脂消失法鑄造可一次完成鑄造成型，周期短，機械性能好［21］．嘉陵集團利用該技術用于摩托車發動機缸頭研制，獲得了巨大的經濟效益．光固化原型與砂型結合鑄造技術應用也較為廣泛，如研發新型四缸柴油發動機缸蓋［18］、開發汽車零部件［22］等．快速成形原型直接制造蠟型模具可用于小批量精鑄，大大提高鑄件壽命，節約成本．另外，西安交通大學研發出的陶瓷型鑄造，鑄型外殼、內芯和漿料包裹層一體化設計，使航空葉片鑄件合格率由15％提升至85％．東方氣輪機廠利用該技術已研發出空心渦輪葉片，大大提高了葉片機械力學性能［18］．目前，最為先進的快速模具制造方法有樹脂基復合材料快速制模方法、中或低熔點合金鑄造制模、金屬電弧噴涂制模等．其中，金屬電弧噴涂成型快速制模技術［18］在模具成本、壽命、制造周期、精度等方面具有綜合優勢，并且模具工作表面具有較好的強度、硬度和耐磨性，模具表面摩擦學特性更接近于鋼質模具，是一種較為理想的快速制模方法．其技術原理、設備及制模應用如圖4、5所示．快速模具技術可節約成本3／4，縮短生產周期約2／3．提高模具制造精度、開發新材料新工藝、直接制造高強度金屬模具等是該技術的重要發展方向．

3．3個性化醫療方面的應用

增材制造技術在醫療模型制造和體外醫療器械［23］、個性化永久植入物制造、組織工程支架制造、細胞打印、器官打印方面應用廣泛，現已取得較大進展．如利用增材制造技術制造出高精度連體骨骼模型，成功實現連體嬰兒分離［24］等．西安交通大學與第四軍醫大學聯合開展骨替代物制造、定制化人工脛骨半關節大段骨重建術、定制化鈦合金半膝關節假體復合大段骨移植、定制下頜骨原型設計［25］等研究，并成功實現中國首例“下頜骨溶解修復”手術［18］．另外，西安交通大學與昆明軍區醫院聯合進行了脊椎手術導航模板制作等研究，進一步擴展了個性化永久植入物的應用領域．采用TCP材料，西安交通大學積極開展基于光固化原型的支架制作人工活性骨支架研究，取得一定的科研進展．圖6所示為利用3D打印技術制作的脊椎手術導航模板．

4增材制造技術的發展趨勢

目前，增材制造技術存在許多問題，如材料方面限制、成形精度與成形速度的矛盾、設備及材料的價格昂貴等．在未來的發展中，該技術將會在新材料及創新工藝［26］、裝備與關鍵器件、與傳統工藝相結合等方面展開更深入的研究．另外，增材制造技術要克服一些技術瓶頸，實現關鍵技術環節上的突破，如：與傳統制造結構保持同樣的強度；減小成型過程中的變形，細化光斑、優化材料和工藝［27］，以提高制造精度；進行工藝創新與優化，提高光束能量以提高制造效率［18］等．現階段，該技術將重點研究陶瓷零件制造、復合材料制造、聚合物噴射快速原型制造［28］、金屬直接制造等，如：利用光固化原型技術，使支撐結構中組織發生變化制作碳化硅復合材料零件；使用高介電陶瓷材料，構造復雜型腔結構實現微波負折射功能，進行光子晶體制造，完成傳統制造技術難以制作的內外形結構；深入研究金屬直接成形自愈合原理，進行高溫合金葉片制作實現金屬直接制造［18］等．增材制造技術在工藝研究方面，存在許多具有潛力的研究方向．如：建立多層激光直接成形的自穩定機制并利用粉末負離焦技術制造薄壁，使工件側面平均粗糙度達到10．04μm；充分研究葉片制造中的曲率效應，實驗發現曲率大處熔化嚴重；進行空心葉片掃描路徑設計與實驗研究，以輪廓、光柵（方向優化）、分區的路徑選擇掃描復雜空心葉片，減少空行程，節約粉末；依據液氮控制冷卻梯度，對空心葉片定向晶組織進行控制［18］等．在生物組織制造方面，增材制造技術潛力巨大，應用前景廣闊，如：進行肝組織支架制造，通過仿生流道和定向多孔結構促進肝細胞向支架內生長，研究支架／細胞復合體用于修復肝缺損的有效性［29］；對細胞打印和器官打印等生物醫學前沿領域研究探索［18］等．另外，將增材制造技術與傳統工藝相結合，進行小批量制造，可發揮倍增效益，是該技術發展的一大趨勢．

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