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        3D打印技術發展及在航空航天領域應用

           日期:2019-12-27     來源:北京航天情報與信息研究所    
        核心提示:3D打印技術(又稱增材制造技術)是信息網絡技術、先進材料技術與數字制造技術的密切結合,是先進制造業的重要組成部分,其與信息網絡技術的深度融合,給各行各業發展帶來變革性影響。小編覺得當前,3D打印技術持續發展,市場規??焖僭鲩L,在航空航天領域應用不斷擴大。

        3D打印技術(又稱增材制造技術)是信息網絡技術、先進材料技術與數字制造技術的密切結合,是先進制造業的重要組成部分,其與信息網絡技術的深度融合,給各行各業發展帶來變革性影響。小編覺得當前,3D打印技術持續發展,市場規??焖僭鲩L,在航空航天領域應用不斷擴大。

        3D打印技術在技術方法、制造平臺、行業標準等方面取得重要進展,在市場規模方面保持快速增長態勢。

        3D打印技術方法研究取得新進展

        美國是3D打印技術的發源地,擁有最前沿的3D打印技術,在3D打印方法創新方面取得新的重大進展。2015年3月,美國Carbon 3D公司開發出一種革命性3D打印技術——連續液面生長(CLIP)技術,打印速度比傳統的3D打印技術快25~100倍,并且可制造出之前幾乎不可實現的超復雜幾何結構形狀,極大推進了3D打印技術的應用。該技術通過在紫外線對光聚合的觸發作用以及氧氣對光聚合的抑制作用中找到平衡,可連續作業,實現真正意義的3D打印。采用該技術打印成形的零件特征尺寸最小可小于20微米,比一張紙厚度的1/4還要薄。2016年1月,美國西北大學研究出新的金屬3D打印方法——兩步法。該方法采用一種由金屬粉末、溶劑和粘結劑組成的液態油墨材料,通過注射或擠壓工藝打印出坯體,之后在熔爐里燒結。該方法能夠打印金屬混合物、合金、金屬氧化物等多種金屬,并使3D打印更快、更便宜、更均勻。

        3D打印制造平臺研究步伐加快

        3D打印技術控制系統與平臺建設是支持3D打印技術發展的重要基礎。美國3D系統公司是全球3D打印技術領導者,在美國空軍研究實驗室支持下,該公司將與霍尼韋爾公司、諾斯羅普·格魯曼公司、洛克希德·馬丁公司等大型軍工企業共同研發高精度閉環先進制造與監控平臺,用于制造航空航天零部件,滿足飛行器在飛行過程中精度高、功能強、可重復使用的特定需求。

        2015年11月,美國Arevo實驗室推出了機器人增材制造平臺(RAM),用于超強熱塑性復合材料零部件的快速、高效3D打印。該平臺將ABB機器人公司的商用6軸機器人系統與熔融沉積成形技術、末端執行器硬件以及一套綜合的軟件套件集成在一起,實現對高性能碳纖維增強熱塑性復合材料零部件的3D打印。2016年2月,美國西亞基公司公布了基于電子束增材制造(EBAM)工藝的金屬3D打印系統專用的IRISS閉環控制系統。IRISS是一種沉積層內部實時成像和傳感系統,具有實時監控和處理數據的功能,為制造商在較大尺寸的金屬3D打印零部件的質量和性能控制方面提供支持。

        3D打印行業標準化進一步完善

        技術標準是3D打印行業發展必不可少的關鍵環節。隨著3D打印技術的興起,標準管理部門和研究機構開始謀劃行業標準并制定相關標準。2015年7月,歐盟的“增材制造標準化支持行動(SASAM)”計劃發布了一份增材制造標準化路線圖。作為歐洲標準的一個模板,該路線圖闡述了標準化對于產業應用及現有增材制造技術標準發展的重要性,明確了標準化與優先關注標準之間的差距。但由于標準研究機構之間缺乏統籌,導致3D打印相關標準在一致性方面出現問題。

        為此,“美國制造”創新研究所與美國國家標準學會于2016年3月聯合成立一個跨部門協調機構——“美國制造與美國國家標準學會增材制造標準化協作機構”(AMSC),致力于協調并加速開發全行業的、符合參與機構需求的增材制造標準與規范,促進增材制造企業健康發展。AMSC參與者主要來自私企、設備制造商、材料供應商、政府、學術界、標準開發機構和認證機構等。

        3D打印市場保持快速增長態勢

        2016年4月,增材制造行業的權威咨詢研究機構——美國沃勒斯協會公司發布《沃勒斯報告2016》。該報告指出,2015年全球增材制造和3D打印市場銷售額達到51.65億美元,比2014年增長了10億美元,增長率達到25.9%。同時,2015年3D打印行業的年復合增長率低于過去3年的33.8%,也比過去27年的平均年復合增長率26.2%稍低。

        但是,盡管2015年3D打印行業遭遇了一系列挑戰,但在多個領域出現了持續性增長,尤其是金屬3D打印和桌面3D打印。2015年,全球共有62家工業級3D打印系統(售價超過5000美元)廠商,2014年這一數字為49家,2011年僅為31家。2015年,售價低于5000美元的桌面型3D打印機銷量超過27.8萬臺,比2014年的16萬臺高出74%。而金屬3D打印機的增長率約45%,增速迅猛。

        3D打印在航空航天領域應用持續深化

        隨著3D打印技術快速發展,政府、軍方等機構紛紛出臺政策支持3D打印技術發展與應用,使3D打印技術在航空航天領域的應用更廣泛深入。

        3D打印得到政府和軍方大力支持,政策環境進一步優化

        美國國家增材制造創新機構(NAMII,現名“美國制造”)發布新版增材制造技術路線圖。2015年9月該機構發布了新版美國“增材制造技術路線圖”,將設計、材料、工藝、價值鏈和增材制造基因組等5個技術領域設定為關鍵技術領域,每個領域下設多個子領域,按照技術成熟度分別對每個領域2013年—2020年發展重點進行了規劃。上述這些領域是該機構未來一段時期內提升增材制造技術與制造成熟度的發展重點,也是美國政府發展增材制造產業的重點。美國NAMII自成立以來為增材制造技術開發與應用提供了三輪資金資助,總額超過2000萬美元。

        DARPA“開放式制造項目“??梢钥吹?,在一個100倍顯微鏡下,兩個使用同樣材料3D打印的部件,差別相當大

        美國國防高級研究計劃局(DARPA)實施“開放式制造項目”,推動3D打印成為國防制造領域的主流技術。2015年5月DARPA宣布實施“開放式制造項目”,旨在開發快速鑒定技術,從而全面獲取、分析并監控制造過程,以預測最終產品的性能,確保產品所需的置信度,可靠保證飛機機翼或軍事系統的復雜部件批生產。該項目主要研究方向之一是開展“快速低成本增材料制造”研究,重點研究金屬增材制造過程。

        美陸軍發布最新版《陸軍制造技術規劃報告》。2015年11月,美國陸軍發布2016財年《陸軍制造技術規劃報告》。報告簡要介紹了陸軍制造技術規劃的任務、組織機構、投資策略等,并從項目目標、實施方案、成果、效益、受影響的武器系統等方面,對利用增材制造實現高價值航空資產修復/回收/再利用進行了研究;對面向關鍵武器系統零部件直接制造、再制造及延壽的增材制造技術等6大領域的31個正在實施的重點項目進行了分析。

        3D打印應用范圍進一步擴展,由零部件擴大到整機

        3D打印技術已成為提高航天器設計和制造能力的一項關鍵技術,其在航空航天領域的應用范圍不斷擴展。國外企業和研究機構利用3D打印不僅打印出了飛機、導彈、衛星、載人飛船的零部件,還打印出了發動機、無人機、微衛星整機,在成本、周期、重量等方面取得了顯著效益,充分顯示了3D打印技術在該領域的應用前景。

        在零部件級方面,空客公司采用3D打印技術生產了超過1000個飛機零部件,其中用于A350XWB寬體飛機的艙體支架獲得“2014年德國工業創新大獎”;美國空軍第552空中控制聯隊利用Fortus 400mc 3D打印機成功打印出飛機座椅扶手的塑料端蓋,并首次獲得批準將其應用于E-3預警機,通過3D打印實現該部件的單位成本由8美元降低至2.5美元;美國Aerojet Rocketdyne公司利用3D打印制造了首批12個“獵戶座”載人飛船噴管擴張段,制造時間比傳統制造工藝技術縮短了約40%;俄羅斯托木斯克理工大學(TPU)設計并制造的首枚外殼由3D打印的CubeSat納米衛星Tomsk-TPU-120于2016年3月底搭載進步MS-02太空貨運飛船被送往國際空間站;美國海軍在2016年3月進行的“三叉戟”II D5潛射彈道導彈第160次試射中成功測試了首個使用3D打印的導彈部件——可保護導彈電纜接頭的連接器后蓋,使該零件的設計和制造時間縮短了一半。

        在整機級方面,美國太空探索技術公司火箭實驗室發布了一臺用于低成本太空旅行的3D打印世界首款電動火箭發動機——Rutherford電動發射系統,采用該系統可將火箭發射成本由傳統燃料火箭發射的1億美元降至490萬美元;英國南安普頓大學利用增強型ABS塑料打印出了一款成本僅為數千美元的小型無人機(Sulsa),俄羅斯Rostec公司也推出3D打印的多用途兩棲無人機,該無人機重3.8千克,翼展為2.4米,飛行速度可達100千米/小時,續航時間長達1.5小時,從概念到原型僅花費兩個半月,生產時間約為31小時,費用不到20萬盧布(約合3700美元)。

        3D打印應用深度進一步加大,趨向“前端部署”

        當前,隨著3D打印技術應用深度不斷加大,圍繞裝備維修與保障,在維修基地、空間站、戰場前沿等供應鏈“前端”部署3D打印的趨勢愈加明顯,這無疑將改變現有的裝備維修模式與保障體系。

        一是在維修基地或裝備保障體系中增加3D打印技術部署,一方面在國防預算日益吃緊的情況下推動成本節省的同時,還可以減少對由于國家之間政治關系緊張時無法被本國使用的國外零件的依賴,即替代進口。例如,韓國空軍利用3D打印技術制造其F-15K戰斗機噴氣發動機的高壓渦輪機蓋板,將成本從4000萬韓元(3.4萬美元)減少到300萬韓元,采購時間比原來的60天減少一半以上,還通過3D打印將歐洲制造的運輸機揚聲器罩的制造周期由7個月減少至4~5小時,成本從621美元降低至35美元。另一方面,還可打印老舊或已停產零部件,提高軍事基地維護飛機的能力。例如,位于美國俄克拉荷馬州Tinker空軍基地的空軍后勤中心(OC-ALC)正在利用3D打印技術優化工作流程,通過3D打印飛機發動機零部件和現代電子元器件,維護B-52戰機的戰斗力。

        二是在空間站應用3D打印技術,實現在太空3D打印制造,需將原材料運送至國際空間站按需打印。美國太空制造公司已開發出可在真空環境中使用的3D打印機,并于2014年8月將其運送至國際空間站,宇航員不僅打印了3D測試件,還打印了功能結構件。雖然太空3D打印技術在國際空間站外實際使用仍面臨諸多挑戰,包括如何保證被打印的物體在太空中陽光直射下具有較長使用壽命,以及如何控制打印過程中溫度變化等問題,但仍引起了美國NASA的重視。

        三是將3D打印技術部署在戰場前沿,實現直接在戰場上打印零部件,刪減由再制造基地制造零部件,然后運送到倉庫,再安裝到某個組件里或運送到戰場中使用的中間過程環節,達到在最需要零部件的地方直接準確地滿足所需的目的。目前,美國國防后勤局正委托后勤管理研究所開展3D打印技術應用咨詢,研究利用3D打印技術縮短軍隊供應鏈,減少庫存,降低后勤保障成本。美國海軍已啟動“艦上打印”項目,開發零件打印、資格認證以及零件交付等一系列程序,評估可用于軍事用途的各種3D打印技術與材料,以達到在海上艦艇中制造飛機零部件的目標。近年來,美軍已使用3D打印技術打印出了油箱蓋、醫療用品等較為簡單的產品。

        與傳統制造方式相比,3D打印技術不僅可大幅度降低生產成本,還突破了傳統制造工藝對于復雜形狀的限制,它帶來的是生產加工觀念的革命性轉變,對推動全球航空航天領域的發展起到了重要作用。同時,需要指出的是,雖然3D打印技術具備快捷、方便、低成本等顯著優勢,但仍面臨著應用挑戰,如質量保證、知識產權、人員培訓、信息安全等問題。未來,3D打印技術在航空航天領域的應用將是“漸進式”而非“革命性”。

         
          
          
          
          
         
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