金屬3D打印，多被用于機械制造和航空航天工程中形狀復雜的零件制造，對技術指標要求極高。但如果你認為金屬3D打印的技術還是“外國的月亮圓”的話，那可能你就犯了一個錯誤，因為若論金屬3D打印技術與航空工程的融合應用技術，世界頂尖水平的所在就在沈陽，在我們身邊。走進這里，你會感受到最新的金屬3D打印技術的精妙，發(fā)展脈絡的精彩，以及那些鮮為人知的關于3D打印故事的引人入勝。

　　追根溯源

　　增材技術的歷史，最早可以追溯到20世紀70年代末期，早在1979年，美國聯(lián)合技術研究中心的D.B.Snow等人就進行了采用激光多層熔覆的方法制造鎳基高溫合金零件的研究并取得了相關專利，形成了增材制造技術的雛形，但由于此時零件的三維計算機建模及分層切片等圖形處理技術成熟不夠，這項技術不具備發(fā)展成為實用技術的條件。2012年3月，奧巴馬總統(tǒng)宣布計劃投資10億美元，首選發(fā)展增材制造技術，在美國構建一個由15個制造創(chuàng)新聯(lián)盟組成的國家網(wǎng)絡，他們將作為區(qū)域性的制造優(yōu)勢中心，幫助提升美國制造商的競爭力，并鼓勵在美國進行投資。而與此同時，國內的3D打印因為技術的進步也熱度陡生。

　　“上上個世紀的思想，上個世紀的技術，這個世紀的市場……”這句對3D打印的評語，現(xiàn)在來看異常貼切。

　　王向明，中航工業(yè)沈陽飛機設計研究所的項目總設計師、飛機結構3D打印應用技術的領軍人物，2003年起便組建技術團隊，開展了3D打印在飛機結構中的應用研究。通過十余年堅持不懈的持續(xù)探索，造就如今居于世界前列的金屬3D打印技術與航空工程的融合。

 

　　塔灣街40號，就是沈陽飛機設計研究所的所在，這家始建于1961年的研究機構，是新中國組建最早的飛機設計研究所，一系列飛機設計與研究工作都在這里孕育而生，當然也包括如今已成績斐然的金屬3D打印。

　　沈陽飛機設計研究所金屬3D打印的“孵化室”名叫“新型功能結構研發(fā)與工程化應用研究實驗室”，這個新型功能結構研發(fā)的航空科技重點實驗室專門從事孕育金屬3D打印技術的設計創(chuàng)新，并把它與航空工業(yè)相融合，直至把這項技術推至世界的巔峰。該實驗室承擔基于增材制造和特種加工技術的新型功能結構的設計、制造、測試驗證、工程化應用研究工作，以及負責新型功能結構的設計許用值測試和基礎數(shù)據(jù)庫建設，推進新型功能結構研究成果向型號的工程應用轉化，逐步實現(xiàn)快速試制技術體系的建設。這里集中了全所并聯(lián)合了行業(yè)內增材技術領域的優(yōu)勢技術力量，充分體現(xiàn)了專業(yè)的融合和技術隊伍的集約化特點?？蒲腥藛T的專業(yè)配置包括：結構創(chuàng)新設計、功能化結構設計、結構基礎技術、新結構驗證技術等多個領域方向，實驗室根據(jù)飛行器結構不同的技術特點、發(fā)展和需求，基于增材技術的創(chuàng)新結構設計與開發(fā)，結構特性分析研究、設計優(yōu)化研究、試驗驗證以及結構特性評估研究，重點實現(xiàn)從原理、方法、技術的全覆蓋，顯著提高了增材制造技術的研究水平。

　　歷經十余年的技術開拓，研究所實現(xiàn)了增材技術從次承力構件到主承力構件，再到規(guī)?；瘧玫娜齻€跨越，擁有多項發(fā)明專利，完成了4項增材制造技術、5種金屬材料、7類結構件在多型飛機上的裝機應用，取得多項重大研究成果，使我國成為世界上唯一在飛機結構增材制造技術上實現(xiàn)規(guī)?；瘧玫膰?。

　　緣起不減

　　金屬3D打印技術能在沈陽飛機設計研究所“開枝散葉”，緣于十多年前的一次偶遇和執(zhí)著，用王向明的話來說，這可以稱作是“一個核桃”的故事。

　2003年，北京航空航天大學的王化明教授（2015年當選中國工程院院士）來到沈陽飛機設計研究所，并隨身帶來了一個類似“核桃”形狀的金屬物體，猶如技術“種子”，開始孵化鈦合金結構激光增材制造應用技術，這也是二人正式創(chuàng)建聯(lián)合研發(fā)團隊、展開全面技術合作的開端。通過五個方面十三個技術方向的研究，歷經十多年時間，走過了三個里程碑。

　　第一個里程碑是2005年，突破鈦合金次承力件關鍵技術，使我國成為繼美國之后， 世界上第二個掌握飛機鈦合金結構件激光成形技術及裝機應用的國家。第二個里程碑是2009年，突破了鈦合金大型、復雜主承力件關鍵技術，使我國一躍成為迄今世界上唯一掌握該技術并實現(xiàn)裝機工程應用的國家。第三個里程碑是2012年，在新機研制中實現(xiàn)了規(guī)?；瘧谩F隊先后榮獲國家技術發(fā)明一等獎和兩項國防科技一等獎。

　　當下，我國航空、航天、船舶、汽車、海洋工程等現(xiàn)代重大工業(yè)裝備正向著大型化、復雜化、功能化和極端條件下高可靠長壽命服役方向快速發(fā)展，對裝備結構、材料及制造均提出了更加苛刻的要求。輕量化、整體化、長壽命、高可靠性、結構功能一體化以及低成本成為結構設計、材料應用和制造技術共同面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，這取決于結構設計、結構材料和現(xiàn)代制造技術的進步與創(chuàng)新。增材技術，具有短周期、低成本、激發(fā)創(chuàng)新的新興技術，代表著先進制造技術的發(fā)展方向，屬于在重大裝備制造中具有重大應用價值的變革性制造技術。

 

　　大型航空鈦合金零件的材料利用率非常低，平均不超過10%，同時，模鍛、鑄造還需要大量的工裝模具，由此帶來研制成本的上升。通過增材制造技術，不僅可以節(jié)省材料2/3 以上，數(shù)控加工時間減少一半以上，同時不再需要模具可實現(xiàn)“快速反應”。更重要的是，增材技術解放了制造工藝對結構設計的約束，可以制造出最優(yōu)化設計的結構件，從而將研制成本尤其是首件、小批量的研制成本大大降低。

　　王向明告訴記者，搞飛機結構設計，就想要把飛機設計得性能好、重量輕。“我們剛剛接觸3D打印技術的時候，就覺得眼前一亮，覺得這是多年尋找的東西。首先它是以材料“生長”的方式在制造零件，換句話說它更符合自然規(guī)律。我們自然界所有的東西都是以生長的方式在出現(xiàn)，以前我們的制造等材、減材方式居多，突然出現(xiàn)一種增材的方法來搞金屬零件，其誘惑是絕無僅有的。”回憶起初涉金屬3D打印技術的時候，王向明如是說。

　　十多年時間對于科技研究來說，并不漫長。早在2005年，研發(fā)團隊在突破次承力件關鍵技術時發(fā)現(xiàn)了一個問題，當時美國Aeromet公司倡導整個激光成形技術的發(fā)展理念，就是直接在結構基板上生長成形，經過簡單的加工就成為零件。理念雖好，但研究中發(fā)現(xiàn)在中等厚度的薄板上直接成形的制件，其疲勞強度存在嚴重不足。要知道飛機的服役期需要數(shù)十年，對疲勞性能的要求非常高，這樣的情況疲勞性能根本無法滿足要求。為此，團隊提出了一個全新的理念，叫無結構基板成形，這個技術實際上為零件的良好力學性能奠定了制造工藝基礎，為用于主承力結構提出了技術保障。

　　金屬增材制造的最大技術難點是變形與開裂，為使零件能做得更大、更復雜，團隊又研發(fā)了一個宏觀尺度離散成形連接技術，通過一邊成形一邊連接的辦法，可以把零件做得很大、很復雜而不變形開裂，為大型復雜主承力結構件的增材制造提供核心支撐技術。至此，全面突破了鈦合金主承力結構增材制造技術，并在鶻鷹飛機上實現(xiàn)了規(guī)?；瘧?。以此為核心，構建了無模敏捷制造的快速試制模式。

　　技術細節(jié)的打磨總是一項艱難的歷程。多年堅持，沈陽飛機設計研究所飛機增材技術取得了舉世矚目的成就，他們突破多項關鍵技術，研制的零件種類覆蓋除蒙皮壁板外的所有飛機結構件，材料包括多種鈦合金、超高強鋼等，先后在4個飛機型號或項目中得到應用。

　　未來可期

　　沈陽飛機設計研究所在國家3個五年計劃的持續(xù)支持下，結合在研型號研制，在飛機結構增材技術領域取得了舉世矚目的成就，深刻認識增材技術發(fā)展的核心是技術創(chuàng)新，在注重關鍵工藝的同時，發(fā)揮設計創(chuàng)新引領作用，更好地挖掘增材技術的巨大潛力。為此，沈陽飛機設計研究所與北京航空航天大學、西北工業(yè)大學、西安交通大學、中航工業(yè)625所等國內增材技術優(yōu)勢單位合作，從創(chuàng)新源頭出發(fā)，開展了從結構創(chuàng)新設計到原理驗證、工藝優(yōu)化、綜合驗證、快速試制，直至工程應用的覆蓋九級成熟度的“政、產、學、研、用”結合的一條龍發(fā)展路線，形成了成熟設計思想與方法。

　　舉目前望，如何讓金屬3D打印在更多的領域做更多的事兒，是團隊一直思考的問題。在他們的計劃里，用越來越先進也越來越實用的金屬3D打印推動軍民融合，再經過深度發(fā)展，進而發(fā)揮更大的功效。2015年遼寧省科技廳批準沈陽飛機設計研究所組建增材制造產業(yè)共性技術創(chuàng)新平臺和工程技術中心，沈陽市政府也在大力推進增材技術產業(yè)化服務地方經濟的進程。省市領導和主管機關領導多次現(xiàn)場考察，為沈陽飛機設計研究所增材技術提供有力支持，為促進軍民融合持續(xù)發(fā)展搭建了寬闊舞臺。

　已經有不止一人預言，在未來工業(yè)領域應用方面，金屬3D打印將擁有強大的競爭力。現(xiàn)在桌面3D打印機打印出來的普通的成品大都是塑料制品，主要用來展示及模型等，在實用性方面還有所欠缺。但隨著科技發(fā)展和推廣應用需求，利用快速成形直接制造金屬功能零件，將成為了快速成形主要的發(fā)展方向。金屬零件增材技術作為整個3D打印體系中最為前沿和最具潛力的技術，是先進制造技術的重要發(fā)展方向，它所能呈現(xiàn)的功用和空間無法預料。借助省市地域優(yōu)勢和省市政府改革創(chuàng)新的強力推動，沈陽飛機設計研究所的增材技術必須成為支持地方經濟發(fā)展和科技創(chuàng)新的璀璨新星。

　　1月22日，遼寧省增材制造產業(yè)共性技術創(chuàng)新平臺合作框架協(xié)議簽署暨揭牌儀式在中航工業(yè)沈陽所飛行器仿真中心隆重舉行。沈陽所作為平臺理事長單位與12家理事單位簽署了合作框架協(xié)議。

　　遼寧省增材制造產業(yè)共性技術創(chuàng)新平臺以沈陽所新型功能結構實驗室軍用增材技術為依托，集結了省內多家優(yōu)勢單位，力求建成綜合實力和技術研發(fā)水平國內領先的創(chuàng)新型增材技術產業(yè)平臺。創(chuàng)新平臺重點致力于軍民共用的增材技術創(chuàng)新研究、技術開發(fā)、成果轉化及應用推廣，打造一條龍技術發(fā)展鏈條，形成健全的開放服務能力，面向遼寧省民用航空、汽車工業(yè)、海洋工程、智能制造等產業(yè)的重大高端裝備研制轉型及科技平臺創(chuàng)新的需求開展服務。按計劃到2018年，將全面完成平臺建設，形成具有自主特色的軍民融合增材技術研究體系和國內領先的增材技術研發(fā)能力，并建成我國第一個工業(yè)級、全產業(yè)鏈增材技術研發(fā)基地和第一個增材技術軍轉民技術產業(yè)孵化平臺。