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3D打印技术发展及在航空航天领域应用

   日期:2019-12-27     来源:北京航天情报与信息研究所    
核心提示:3D打印技术(又称增材制造技术)是信息网络技术、先进材料技术与数字制造技术的密切结合,是先进制造业的重要组成部分,其与信息网络技术的深度融合,给各行各业发展带来变革性影响。小编觉得当前,3D打印技术持续发展,市场规模快速增长,在航空航天领域应用不断扩大。

3D打印技术(又称增材制造技术)是信息网络技术、先进材料技术与数字制造技术的密切结合,是先进制造业的重要组成部分,其与信息网络技术的深度融合,给各行各业发展带来变革性影响。小编觉得当前,3D打印技术持续发展,市场规模快速增长,在航空航天领域应用不断扩大。

3D打印技术在技术方法、制造平台、行业标准等方面取得重要进展,在市场规模方面保持快速增长态势。

3D打印技术方法研究取得新进展

美国是3D打印技术的发源地,拥有最前沿的3D打印技术,在3D打印方法创新方面取得新的重大进展。2015年3月,美国Carbon 3D公司开发出一种革命性3D打印技术——连续液面生长(CLIP)技术,打印速度比传统的3D打印技术快25~100倍,并且可制造出之前几乎不可实现的超复杂几何结构形状,极大推进了3D打印技术的应用。该技术通过在紫外线对光聚合的触发作用以及氧气对光聚合的抑制作用中找到平衡,可连续作业,实现真正意义的3D打印。采用该技术打印成形的零件特征尺寸最小可小于20微米,比一张纸厚度的1/4还要薄。2016年1月,美国西北大学研究出新的金属3D打印方法——两步法。该方法采用一种由金属粉末、溶剂和粘结剂组成的液态油墨材料,通过注射或挤压工艺打印出坯体,之后在熔炉里烧结。该方法能够打印金属混合物、合金、金属氧化物等多种金属,并使3D打印更快、更便宜、更均匀。

3D打印制造平台研究步伐加快

3D打印技术控制系统与平台建设是支持3D打印技术发展的重要基础。美国3D系统公司是全球3D打印技术领导者,在美国空军研究实验室支持下,该公司将与霍尼韦尔公司、诺斯罗普·格鲁曼公司、洛克希德·马丁公司等大型军工企业共同研发高精度闭环先进制造与监控平台,用于制造航空航天零部件,满足飞行器在飞行过程中精度高、功能强、可重复使用的特定需求。

2015年11月,美国Arevo实验室推出了机器人增材制造平台(RAM),用于超强热塑性复合材料零部件的快速、高效3D打印。该平台将ABB机器人公司的商用6轴机器人系统与熔融沉积成形技术、末端执行器硬件以及一套综合的软件套件集成在一起,实现对高性能碳纤维增强热塑性复合材料零部件的3D打印。2016年2月,美国西亚基公司公布了基于电子束增材制造(EBAM)工艺的金属3D打印系统专用的IRISS闭环控制系统。IRISS是一种沉积层内部实时成像和传感系统,具有实时监控和处理数据的功能,为制造商在较大尺寸的金属3D打印零部件的质量和性能控制方面提供支持。

3D打印行业标准化进一步完善

技术标准是3D打印行业发展必不可少的关键环节。随着3D打印技术的兴起,标准管理部门和研究机构开始谋划行业标准并制定相关标准。2015年7月,欧盟的“增材制造标准化支持行动(SASAM)”计划发布了一份增材制造标准化路线图。作为欧洲标准的一个模板,该路线图阐述了标准化对于产业应用及现有增材制造技术标准发展的重要性,明确了标准化与优先关注标准之间的差距。但由于标准研究机构之间缺乏统筹,导致3D打印相关标准在一致性方面出现问题。

为此,“美国制造”创新研究所与美国国家标准学会于2016年3月联合成立一个跨部门协调机构——“美国制造与美国国家标准学会增材制造标准化协作机构”(AMSC),致力于协调并加速开发全行业的、符合参与机构需求的增材制造标准与规范,促进增材制造企业健康发展。AMSC参与者主要来自私企、设备制造商、材料供应商、政府、学术界、标准开发机构和认证机构等。

3D打印市场保持快速增长态势

2016年4月,增材制造行业的权威咨询研究机构——美国沃勒斯协会公司发布《沃勒斯报告2016》。该报告指出,2015年全球增材制造和3D打印市场销售额达到51.65亿美元,比2014年增长了10亿美元,增长率达到25.9%。同时,2015年3D打印行业的年复合增长率低于过去3年的33.8%,也比过去27年的平均年复合增长率26.2%稍低。

但是,尽管2015年3D打印行业遭遇了一系列挑战,但在多个领域出现了持续性增长,尤其是金属3D打印和桌面3D打印。2015年,全球共有62家工业级3D打印系统(售价超过5000美元)厂商,2014年这一数字为49家,2011年仅为31家。2015年,售价低于5000美元的桌面型3D打印机销量超过27.8万台,比2014年的16万台高出74%。而金属3D打印机的增长率约45%,增速迅猛。

3D打印在航空航天领域应用持续深化

随着3D打印技术快速发展,政府、军方等机构纷纷出台政策支持3D打印技术发展与应用,使3D打印技术在航空航天领域的应用更广泛深入。

3D打印得到政府和军方大力支持,政策环境进一步优化

美国国家增材制造创新机构(NAMII,现名“美国制造”)发布新版增材制造技术路线图。2015年9月该机构发布了新版美国“增材制造技术路线图”,将设计、材料、工艺、价值链和增材制造基因组等5个技术领域设定为关键技术领域,每个领域下设多个子领域,按照技术成熟度分别对每个领域2013年—2020年发展重点进行了规划。上述这些领域是该机构未来一段时期内提升增材制造技术与制造成熟度的发展重点,也是美国政府发展增材制造产业的重点。美国NAMII自成立以来为增材制造技术开发与应用提供了三轮资金资助,总额超过2000万美元。

DARPA“开放式制造项目“。可以看到,在一个100倍显微镜下,两个使用同样材料3D打印的部件,差别相当大

美国国防高级研究计划局(DARPA)实施“开放式制造项目”,推动3D打印成为国防制造领域的主流技术。2015年5月DARPA宣布实施“开放式制造项目”,旨在开发快速鉴定技术,从而全面获取、分析并监控制造过程,以预测最终产品的性能,确保产品所需的置信度,可靠保证飞机机翼或军事系统的复杂部件批生产。该项目主要研究方向之一是开展“快速低成本增材料制造”研究,重点研究金属增材制造过程。

美陆军发布最新版《陆军制造技术规划报告》。2015年11月,美国陆军发布2016财年《陆军制造技术规划报告》。报告简要介绍了陆军制造技术规划的任务、组织机构、投资策略等,并从项目目标、实施方案、成果、效益、受影响的武器系统等方面,对利用增材制造实现高价值航空资产修复/回收/再利用进行了研究;对面向关键武器系统零部件直接制造、再制造及延寿的增材制造技术等6大领域的31个正在实施的重点项目进行了分析。

3D打印应用范围进一步扩展,由零部件扩大到整机

3D打印技术已成为提高航天器设计和制造能力的一项关键技术,其在航空航天领域的应用范围不断扩展。国外企业和研究机构利用3D打印不仅打印出了飞机、导弹、卫星、载人飞船的零部件,还打印出了发动机、无人机、微卫星整机,在成本、周期、重量等方面取得了显著效益,充分显示了3D打印技术在该领域的应用前景。

在零部件级方面,空客公司采用3D打印技术生产了超过1000个飞机零部件,其中用于A350XWB宽体飞机的舱体支架获得“2014年德国工业创新大奖”;美国空军第552空中控制联队利用Fortus 400mc 3D打印机成功打印出飞机座椅扶手的塑料端盖,并首次获得批准将其应用于E-3预警机,通过3D打印实现该部件的单位成本由8美元降低至2.5美元;美国Aerojet Rocketdyne公司利用3D打印制造了首批12个“猎户座”载人飞船喷管扩张段,制造时间比传统制造工艺技术缩短了约40%;俄罗斯托木斯克理工大学(TPU)设计并制造的首枚外壳由3D打印的CubeSat纳米卫星Tomsk-TPU-120于2016年3月底搭载进步MS-02太空货运飞船被送往国际空间站;美国海军在2016年3月进行的“三叉戟”II D5潜射弹道导弹第160次试射中成功测试了首个使用3D打印的导弹部件——可保护导弹电缆接头的连接器后盖,使该零件的设计和制造时间缩短了一半。

在整机级方面,美国太空探索技术公司火箭实验室发布了一台用于低成本太空旅行的3D打印世界首款电动火箭发动机——Rutherford电动发射系统,采用该系统可将火箭发射成本由传统燃料火箭发射的1亿美元降至490万美元;英国南安普顿大学利用增强型ABS塑料打印出了一款成本仅为数千美元的小型无人机(Sulsa),俄罗斯Rostec公司也推出3D打印的多用途两栖无人机,该无人机重3.8千克,翼展为2.4米,飞行速度可达100千米/小时,续航时间长达1.5小时,从概念到原型仅花费两个半月,生产时间约为31小时,费用不到20万卢布(约合3700美元)。

3D打印应用深度进一步加大,趋向“前端部署”

当前,随着3D打印技术应用深度不断加大,围绕装备维修与保障,在维修基地、空间站、战场前沿等供应链“前端”部署3D打印的趋势愈加明显,这无疑将改变现有的装备维修模式与保障体系。

一是在维修基地或装备保障体系中增加3D打印技术部署,一方面在国防预算日益吃紧的情况下推动成本节省的同时,还可以减少对由于国家之间政治关系紧张时无法被本国使用的国外零件的依赖,即替代进口。例如,韩国空军利用3D打印技术制造其F-15K战斗机喷气发动机的高压涡轮机盖板,将成本从4000万韩元(3.4万美元)减少到300万韩元,采购时间比原来的60天减少一半以上,还通过3D打印将欧洲制造的运输机扬声器罩的制造周期由7个月减少至4~5小时,成本从621美元降低至35美元。另一方面,还可打印老旧或已停产零部件,提高军事基地维护飞机的能力。例如,位于美国俄克拉荷马州Tinker空军基地的空军后勤中心(OC-ALC)正在利用3D打印技术优化工作流程,通过3D打印飞机发动机零部件和现代电子元器件,维护B-52战机的战斗力。

二是在空间站应用3D打印技术,实现在太空3D打印制造,需将原材料运送至国际空间站按需打印。美国太空制造公司已开发出可在真空环境中使用的3D打印机,并于2014年8月将其运送至国际空间站,宇航员不仅打印了3D测试件,还打印了功能结构件。虽然太空3D打印技术在国际空间站外实际使用仍面临诸多挑战,包括如何保证被打印的物体在太空中阳光直射下具有较长使用寿命,以及如何控制打印过程中温度变化等问题,但仍引起了美国NASA的重视。

三是将3D打印技术部署在战场前沿,实现直接在战场上打印零部件,删减由再制造基地制造零部件,然后运送到仓库,再安装到某个组件里或运送到战场中使用的中间过程环节,达到在最需要零部件的地方直接准确地满足所需的目的。目前,美国国防后勤局正委托后勤管理研究所开展3D打印技术应用咨询,研究利用3D打印技术缩短军队供应链,减少库存,降低后勤保障成本。美国海军已启动“舰上打印”项目,开发零件打印、资格认证以及零件交付等一系列程序,评估可用于军事用途的各种3D打印技术与材料,以达到在海上舰艇中制造飞机零部件的目标。近年来,美军已使用3D打印技术打印出了油箱盖、医疗用品等较为简单的产品。

与传统制造方式相比,3D打印技术不仅可大幅度降低生产成本,还突破了传统制造工艺对于复杂形状的限制,它带来的是生产加工观念的革命性转变,对推动全球航空航天领域的发展起到了重要作用。同时,需要指出的是,虽然3D打印技术具备快捷、方便、低成本等显著优势,但仍面临着应用挑战,如质量保证、知识产权、人员培训、信息安全等问题。未来,3D打印技术在航空航天领域的应用将是“渐进式”而非“革命性”。

 
  
  
  
  
 
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