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浅析3D打印在航空航天领域4大发展优势

星之球科技 来源:材料委2020-03-04 我要评论(0 )   

作为第三次工业革命制造领域的典型代表技术,3D打印的发展时刻受到各界的广泛关注。而金属高性能增材制造技术(金属3D打印技术)被

作为第三次工业革命制造领域的典型代表技术,3D打印的发展时刻受到各界的广泛关注。而金属高性能增材制造技术(金属3D打印技术)被行内专家视为3D打印领域高难度、高标准的发展分支,在工业制造中有着举足轻重的地位。现如今,世界各国工业制造企业都在大力研发金属增材制造技术,尤其是航空航天制造企业,更是不惜耗费大量财力、物力加大研发力度,以确保自己的技术领先优势。


3D打印在航空航天领域的发展优势

1. 缩短新型航空航天装备的研发周期

航空航天技术是国防实力的象征,各国之间竞争异常激烈。因此各国都试图以更快的速度研发出更新的武器,确保在国防领域处于不败之地。而金属3D打印技术让高性能金属零部件的制造流程大幅缩短,无需研发零件制造过程中使用的模具,极大地缩短产品研发制造周期。

2. 提高材料利用率、降低成本

航空航天制造领域多采用价格昂贵且较难加工的战略材料,如钛合金、镍基高温合金等金属材料。传统制造方法材料使用率低、机械加工程序复杂、生产周期长、成本高。3D打印技术可将材料的使用率普遍提升到60%,甚至高达90%以上,从而降低制造成本、节约原材料。

3. 优化零件结构、增加使用寿命

对于航空航天、武器装备而言,减轻重量是永恒不变的主题。波音737约重65公吨,若减重1磅(约0.45千克),每年则能为航空公司节省几十万美元。据GE航空白皮书所述,将此数字延伸到全球所有航空器和其节省的资金,将超过一千万美元。

传统制造方法已经将零件减重发挥到了极致,但3D打印技术的应用可以优化复杂零部件的结构,在保证性能的前提下,将复杂结构变换成简单结构,从而起到减轻重量的效果。3D打印技术通过优化零件结构,使零件的应力呈现出最合理化的分布,减少疲劳裂纹产生的危险,从而增加使用寿命。

4. 修复零件、减少损失

目前,金属3D打印技术在修复成型方面所表现出的潜力高于生产制造方面。以高性能整体涡轮叶盘零件为例,当某一叶片受损,整个涡轮叶盘将报废,直接经济损失高达百万元。而使用3D打印技术在受损部位进行激光立体成型,就可以恢复零件形状,且性能满足使用要求,甚至是高于基材的使用性能。

我国发展差距浅析

目前我国从政府、科研、企业层面都对3D打印应用于航空航天领域给予高度重视,也取得了部分成就。但与国外发达国家相比,目前国内行业发展主要存在以下几方面的问题:

1. 技术差距

技术上的差距如复杂薄壁精密零件结构-性能一体化制造技术,航空航天发动机叶片、涡轮等复杂精密零件的成形技术等,一定程度上制约了航空航天装备技术水平的提高。

目前国内的3D打印企业普遍缺乏核心技术、生产效率低、材料种类缺失,因此很难实现产业化。我国3D打印在军工应用的领域发展最为先进,如部分复杂合金零部件成形等,但产业化进程缓慢。

2. 材料差距

材料上的差距主要体现在国内材料种类不全、质量良莠不齐。3D打印金属粉末质量与国外存在一定差距,高分子材料(PEEK和PAEK等)和陶瓷材料种类缺失、体系不全。目前国内多数的厂家可以生产几十微米到几百微米的金属颗粒,但这种颗粒国内生产的品质与国外仍有较大差距。

在“中国制造2025”战略规划中,前沿材料中就包含3D打印材料,研究方向主要集中在金属球形粉末成形与制备技术;突破高转速旋转电极制粉、气雾化制粉装备;开发空心粉率低、颗粒形状规则、粒度均匀、杂质含量低的高品质钛合金、高温合金、铝合金等金属粉末;研究氧化铝、氧化锆、碳化硅等陶瓷粉末、片材制备方法;建立生物3D打印体系;开发“3D打印友好型”生物墨水。

3. 设备差距

目前国外的3D打印设备无论是桌面级还是工业级的价格相对都比较高;国内的一些设备虽然价格较低但质量难以保证。同时设备的精度以及生产效率等方面还需要进一步的优化,这也是阻碍产业化的主要问题。

我国虽已有一些企业能自主制造3D打印设备,但企业规模普遍较小,研发力量不足。在加工流程稳定性、工件支撑材料生成和处理、部分特种材料的制备技术等环节,存在较大缺陷,难以完全满足产品制造的需求。

而占据3D打印产业主导地位的美国3Dsystems、Stratasys等公司,每年都投入千万级美元研发新技术,研发投入占销售收入的10%左右。两家公司不仅研发设备、材料和软件,还通过签约开发、直接购买等方式获得大量来自企业外部的相关细分技术、专利,掌握大量关键核心技术。

此外,3D打印的核心是数字化驱动。目前,我国3D打印的数字化程度还不高,软件高度依赖国外。未来发展中,应重视3D打印流程中相关的软件设计、数控能力等软实力。

4. 宏观差距

3D打印产业上游包括材料技术、控制技术、光机电技术、软件技术,中游是立足于信息技术的数字化平台的3D打印解决方案,下游涉及国防科工、航空航天等行业,其发展将深刻影响先进制造业、工业设计业、生产性服务业、文化创意业、电子商务业及制造业信息化工程。

由于3D打印行业技术门槛较高,上中下游所用核心技术涉及材料学、计算机学、机械设计等多学科多领域,属于技术综合性较强的领域,需要我国科研、企业等多方协力配合提升我国3D打印综合实力。同时,在我国制造业转型升级中,3D打印逐步代替了很多传统工艺,发挥的作用逐步增大,其造成的差距也会在下游终端应用产品的性能和价格方面被放大。

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3D打印航空航天激光技术
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