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淺析3D打印在航空航天領(lǐng)域4大發(fā)展優(yōu)勢

星之球科技 來源:材料委2020-03-04 我要評論(0 )   

作為第三次工業(yè)革命制造領(lǐng)域的典型代表技術(shù),3D打印的發(fā)展時刻受到各界的廣泛關(guān)注。而金屬高性能增材制造技術(shù)(金屬3D打印技術(shù))被

作為第三次工業(yè)革命制造領(lǐng)域的典型代表技術(shù),3D打印的發(fā)展時刻受到各界的廣泛關(guān)注。而金屬高性能增材制造技術(shù)(金屬3D打印技術(shù))被行內(nèi)專家視為3D打印領(lǐng)域高難度、高標準的發(fā)展分支,在工業(yè)制造中有著舉足輕重的地位。現(xiàn)如今,世界各國工業(yè)制造企業(yè)都在大力研發(fā)金屬增材制造技術(shù),尤其是航空航天制造企業(yè),更是不惜耗費大量財力、物力加大研發(fā)力度,以確保自己的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢。


3D打印在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展優(yōu)勢

1. 縮短新型航空航天裝備的研發(fā)周期

航空航天技術(shù)是國防實力的象征,各國之間競爭異常激烈。因此各國都試圖以更快的速度研發(fā)出更新的武器,確保在國防領(lǐng)域處于不敗之地。而金屬3D打印技術(shù)讓高性能金屬零部件的制造流程大幅縮短,無需研發(fā)零件制造過程中使用的模具,極大地縮短產(chǎn)品研發(fā)制造周期。

2. 提高材料利用率、降低成本

航空航天制造領(lǐng)域多采用價格昂貴且較難加工的戰(zhàn)略材料,如鈦合金、鎳基高溫合金等金屬材料。傳統(tǒng)制造方法材料使用率低、機械加工程序復(fù)雜、生產(chǎn)周期長、成本高。3D打印技術(shù)可將材料的使用率普遍提升到60%,甚至高達90%以上,從而降低制造成本、節(jié)約原材料。

3. 優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)、增加使用壽命

對于航空航天、武器裝備而言,減輕重量是永恒不變的主題。波音737約重65公噸,若減重1磅(約0.45千克),每年則能為航空公司節(jié)省幾十萬美元。據(jù)GE航空白皮書所述,將此數(shù)字延伸到全球所有航空器和其節(jié)省的資金,將超過一千萬美元。

傳統(tǒng)制造方法已經(jīng)將零件減重發(fā)揮到了極致,但3D打印技術(shù)的應(yīng)用可以優(yōu)化復(fù)雜零部件的結(jié)構(gòu),在保證性能的前提下,將復(fù)雜結(jié)構(gòu)變換成簡單結(jié)構(gòu),從而起到減輕重量的效果。3D打印技術(shù)通過優(yōu)化零件結(jié)構(gòu),使零件的應(yīng)力呈現(xiàn)出最合理化的分布,減少疲勞裂紋產(chǎn)生的危險,從而增加使用壽命。

4. 修復(fù)零件、減少損失

目前,金屬3D打印技術(shù)在修復(fù)成型方面所表現(xiàn)出的潛力高于生產(chǎn)制造方面。以高性能整體渦輪葉盤零件為例,當某一葉片受損,整個渦輪葉盤將報廢,直接經(jīng)濟損失高達百萬元。而使用3D打印技術(shù)在受損部位進行激光立體成型,就可以恢復(fù)零件形狀,且性能滿足使用要求,甚至是高于基材的使用性能。

我國發(fā)展差距淺析

目前我國從政府、科研、企業(yè)層面都對3D打印應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域給予高度重視,也取得了部分成就。但與國外發(fā)達國家相比,目前國內(nèi)行業(yè)發(fā)展主要存在以下幾方面的問題:

1. 技術(shù)差距

技術(shù)上的差距如復(fù)雜薄壁精密零件結(jié)構(gòu)-性能一體化制造技術(shù),航空航天發(fā)動機葉片、渦輪等復(fù)雜精密零件的成形技術(shù)等,一定程度上制約了航空航天裝備技術(shù)水平的提高。

目前國內(nèi)的3D打印企業(yè)普遍缺乏核心技術(shù)、生產(chǎn)效率低、材料種類缺失,因此很難實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。我國3D打印在軍工應(yīng)用的領(lǐng)域發(fā)展最為先進,如部分復(fù)雜合金零部件成形等,但產(chǎn)業(yè)化進程緩慢。

2. 材料差距

材料上的差距主要體現(xiàn)在國內(nèi)材料種類不全、質(zhì)量良莠不齊。3D打印金屬粉末質(zhì)量與國外存在一定差距,高分子材料(PEEK和PAEK等)和陶瓷材料種類缺失、體系不全。目前國內(nèi)多數(shù)的廠家可以生產(chǎn)幾十微米到幾百微米的金屬顆粒,但這種顆粒國內(nèi)生產(chǎn)的品質(zhì)與國外仍有較大差距。

在“中國制造2025”戰(zhàn)略規(guī)劃中,前沿材料中就包含3D打印材料,研究方向主要集中在金屬球形粉末成形與制備技術(shù);突破高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)電極制粉、氣霧化制粉裝備;開發(fā)空心粉率低、顆粒形狀規(guī)則、粒度均勻、雜質(zhì)含量低的高品質(zhì)鈦合金、高溫合金、鋁合金等金屬粉末;研究氧化鋁、氧化鋯、碳化硅等陶瓷粉末、片材制備方法;建立生物3D打印體系;開發(fā)“3D打印友好型”生物墨水。

3. 設(shè)備差距

目前國外的3D打印設(shè)備無論是桌面級還是工業(yè)級的價格相對都比較高;國內(nèi)的一些設(shè)備雖然價格較低但質(zhì)量難以保證。同時設(shè)備的精度以及生產(chǎn)效率等方面還需要進一步的優(yōu)化,這也是阻礙產(chǎn)業(yè)化的主要問題。

我國雖已有一些企業(yè)能自主制造3D打印設(shè)備,但企業(yè)規(guī)模普遍較小,研發(fā)力量不足。在加工流程穩(wěn)定性、工件支撐材料生成和處理、部分特種材料的制備技術(shù)等環(huán)節(jié),存在較大缺陷,難以完全滿足產(chǎn)品制造的需求。

而占據(jù)3D打印產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)地位的美國3Dsystems、Stratasys等公司,每年都投入千萬級美元研發(fā)新技術(shù),研發(fā)投入占銷售收入的10%左右。兩家公司不僅研發(fā)設(shè)備、材料和軟件,還通過簽約開發(fā)、直接購買等方式獲得大量來自企業(yè)外部的相關(guān)細分技術(shù)、專利,掌握大量關(guān)鍵核心技術(shù)。

此外,3D打印的核心是數(shù)字化驅(qū)動。目前,我國3D打印的數(shù)字化程度還不高,軟件高度依賴國外。未來發(fā)展中,應(yīng)重視3D打印流程中相關(guān)的軟件設(shè)計、數(shù)控能力等軟實力。

4. 宏觀差距

3D打印產(chǎn)業(yè)上游包括材料技術(shù)、控制技術(shù)、光機電技術(shù)、軟件技術(shù),中游是立足于信息技術(shù)的數(shù)字化平臺的3D打印解決方案,下游涉及國防科工、航空航天等行業(yè),其發(fā)展將深刻影響先進制造業(yè)、工業(yè)設(shè)計業(yè)、生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)、文化創(chuàng)意業(yè)、電子商務(wù)業(yè)及制造業(yè)信息化工程。

由于3D打印行業(yè)技術(shù)門檻較高,上中下游所用核心技術(shù)涉及材料學(xué)、計算機學(xué)、機械設(shè)計等多學(xué)科多領(lǐng)域,屬于技術(shù)綜合性較強的領(lǐng)域,需要我國科研、企業(yè)等多方協(xié)力配合提升我國3D打印綜合實力。同時,在我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級中,3D打印逐步代替了很多傳統(tǒng)工藝,發(fā)揮的作用逐步增大,其造成的差距也會在下游終端應(yīng)用產(chǎn)品的性能和價格方面被放大。

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