3D打印3.07米高C919中央翼缘条 金属3D打印技术仅5天

时间:2019-01-22 10:44:13  来源:中国青年报

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3D打印3.07米高C919中央翼缘条 金属3D打印技术仅5天

“目前的铂力特,业务范围已涵盖金属3D打印服务、设备、原材料、工艺设计开发、软件定制化产品等,构建了较为完整的金属3D打印产业生态链,成为金属3D打印技术的领导者,和世界先进的金属增材制造技术全套解决方案提供商


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利用金属3D打印技术打印出的钛合金镂空点阵结构。李晨/摄

传统工艺6个月才能完成的制造工作,用金属3D打印技术耗时仅5天

3D打印3.07米高C919中央翼缘条

站在那根3.07米高的C919中央翼缘条前,歼20总师杨伟久久凝视……让他特别感慨的是,这是一根用我国拥有完全知识产权的金属3D打印技术,“打印”出来的国产大飞机零部件。

尖端科技之花在产学研后“红”

这根钛合金材质的C919中央翼缘条,尺寸3.07米,重量196千克,于2012年1月打印成功,同年通过商飞的性能测试,2013年成功应用在国产大飞机C919首架验证机上。

这是国产机型首次在设计验证阶段,利用3D打印技术制备承力部件,在国际民机的设计生产中亦属首次。更重要的是,作为机翼关键部件,以我国当时的制造能力,还无法锻造出这样超大尺寸的复杂结构件。而如果向国外采购,又势必影响大飞机的国产化率。

“金属3D打印技术,为钛合金零部件的加工提供了新的技术途径,也为中国的航空制造打开了一扇新窗。”该技术研发人、西北工业大学教授黄卫东告诉中国青年报·中青在线记者。

“3D打印”学名“增材制造技术”,原理是将计算机设计出的三维模型分解成若干层平面切片,然后把要“打印”的材料按切片图形逐层叠加,最终“堆积”成完整的物体。

为C919制造中央翼缘条,是金属3D打印技术在航空领域应用的典型。黄卫东及其团队应用该技术所打印出的金属材料和零部件,目前已广泛应用于我国的导弹、飞机、火箭、卫星、航空发动机等领域,仅为国产各类飞机就制备了近两万个零部件,其中绝大部分已装机使用。

早在上世纪90年代初,黄卫东就关注起了能够快速成形、快速进行原型制造的“3D打印技术”。在他的西工大本科同班同学、企业家折生阳的出资支持下,他持续20多年钻研金属3D打印技术,并不断取得重大突破。

2011年7月,应中国商飞经营合作要求,折生阳与西工大及黄卫东等人共同组建了由西工大技术控股的股份制企业——西安铂力特增材技术股份有限公司。西工大和黄卫东出技术,折生阳等出资金,黄任董事长,折为副董事长。

产权明晰,责权利清晰的校企合作,促使这一尖端成果加速实现产学研融合。其最具标志性的成果,正是那根3.07米高的C919中央翼缘条。

回忆起这件“缘条”,黄卫东等人至今印象深刻。2011年年初,“课题组”接到要为C919打印中央翼缘条任务。他们奋力拼搏、日夜鏖战,不到1年时间,在废旧教学实验厂房里建成了现代化工厂,研制出金属3D打印专用设备,完成了一系列要求极高的性能测试工作,同时组建西安铂力特公司,并赶在2012年年初完成了打印缘条的准备工作。

此后,团队20多人加班加点,与时间赛跑,终于赶在2012年1月22日上午,一次性成功打印完成了第一件C919中央翼缘条。“那天正逢大年三十。”当天中午,激动的西工大周尧和院士宴请攻坚团队吃了顿团圆饭,“团圆饭从中午一直吃到大年三十晚上,大多数人都喝多了!”吃完饭、喝完酒,已是新年的大年初一,团队成员赵晓明才想起还没置办年货。

公司化后,黄卫东团队的金属3D打印技术在科研上突飞猛进,产业化也进展神速。2018年,这一技术为中国商飞、中航工业、中国航发、中国航天科工、中国航天科技等200多家单位,增材制造超过3万件金属零件,批量应用于一批先进的飞机、发动机、火箭和卫星等国家重大任务。

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铂力特公司副总经理杨东辉展示采用具有自主知识产权的“金属3D打印”技术和设备,打印出的C919中央翼缘条。李晨/摄

行业翘楚引得“空客”来

2017年3月,在上海举行的亚洲3D打印、增材制造博览会上,一件超大尺寸的航空发动机叶片吸引了参观者的目光。

这件933mm的零件,是目前世界上SLM(铺粉方式)技术打印的一次成形尺寸最大的钛合金零件。叶片重量与同尺寸碳纤维复合材料叶片相当,但侧向性能更好,整体化成形也使得零件的可靠性大大提高。

航空发动机关键零部件,传统技术生产难度极高。黄卫东团队的金属3D打印技术,做到了简单化生产,只需电脑设计好打印程序,按切面一层层打印即可。

黄卫东告诉记者,金属3D打印技术的优势,一是几乎能制造出任何复杂结构的零件,非传统技术可比;同时,其轻量化、拓扑优化的特点,又能为材料实现可观的减重,这在对重量“斤斤计较”的航空航天领域尤其重要。

另外,航空航天零件结构复杂、成本高昂,一旦出现瑕疵或缺损,只能整体更换,可能造成不可估量的损失。但通过金属3D打印技术,就可用同一材料将缺损部位修补成完整形状,修复后的性能不受影响,大大节约了时间和金钱。

与此同时,他们还开发出激光金属3D打印商用设备,这使铂利特公司不仅成为目前国内最大的金属3D打印零件加工商,也成了技术最领先的金属3D打印高端设备制造商。

“我们只和全世界最优秀的团队合作”。2014年3月,欧洲空中客车公司与西工大和铂力特签署合作协议,共同开发激光立体成形技术(激光3D打印技术的一种)在航空领域的应用。

空客主动找上门来要求合作,一是看中公司有“最优秀”的科研团队,二是看中公司有“最优秀”的运营团队。

铂力特公司技术来源于西工大,依托西工大凝固技术国家重点实验室和激光制造工程中心,科研实力雄厚;拥有一支高精尖科研精英团队,研发人员占全员的40%,超过30%的员工拥有硕士以上学历。

铂力特公司的运行机制独树一帜。虽然西工大和黄卫东拥有的共同技术股份占51%,黄卫东出任公司董事长,但公司实际控制人是懂企业会经营的折生阳。折拥有公司重大事项一票否决权,把握着公司的运营方向。

“让教授干教授的事情,让企业家干企业家的事情”——既当过科研人员、又当过科技管理干部、已下海营商20多年的折生阳这样说。在公司发生重大争议时,折生阳的“最后一票”尤显重要。

当年,在生产出激光金属3D打印设备后,多数人都认为不应该将自家的这一“聚宝盆”推向市场让与他人。折生阳从企业长远发展角度认为应该卖,先共同把市场做大,企业也能多条腿走路。激烈争吵之后,折运用自己的一票否决权,大胆推动公司将设备推向市场,这也才有了这些设备在众多单位和企业的热销,并成功出口欧洲,享誉法德。

2018年,铂力特通过了空客公司IPCA认证,启动了空客A330增材制造项目,成为空客亚洲区唯一的金属增材制造合格供应商。同年8月,空客又与西工大和铂力特分别签署联合科研合作协议,三方进入联合研发时代。

让设计更自由,让制造更简单

2014年,歼20总师杨伟来西工大专程考察金属3D打印技术。在那根3.07米高的C919中央翼缘条旁,一同展出的还有专为歼20试制的部分金属3D打印零部件。杨伟看了又看,摸了又摸,感慨万千。

杨伟之所以震撼于金属3D打印技术,是因为设计历来都要受限于生产技术和生产工艺。拿飞机设计来说,即使有再好的空气动力学设计、再好的综合性能设计,如果没有一家公司能生产出来,没有一个工厂能加工出适配的零部件,再好的设计都是白搭——金属3D打印技术已经解决和正在解决这一难题。

人类制造,从原始人打制石器最早开端。这也正是持续百万年一直到今天的“减材制造”,即不断把多余的部分去掉。机械制造时代的切、割、钻、铣等工艺,包括精密的数控机床冷加工都是“减材制造”。有了火之后热加工的锻、打、锤、敲等制造属于“等材制造”,最典型最简单的就是铁匠打铁。

无论是减材制造还是等材制造都有局限性:一是无法整体加工复杂零部件,都是先生产出一个个不同结构的零件,然后再或铆或焊、或连或接,耗时耗工;二是根本无法加工超异形超复杂超薄壁结构体;三是难以为零部件减重。

而这些,金属3D打印技术都可以克服。“可能有一天,我们甚至会整体打印出一套完整的航空发动机。”团队成员、公司总工程师赵晓明激情澎湃。

相比减材制造和等材制造,增材制造无疑是一场巨大的革命。

黄卫东说,在C919的设计验证阶段,中央翼缘条的成功试制贡献巨大,传统工艺6个月才能完成的制造工作,用金属3D打印技术耗时仅仅5天,并且一次成形,一次成功,金属原料钛合金涂层粉末,更是几乎没有半点浪费。

黄卫东的博士生、铂力特总经理薛蕾说,金属3D打印出的蜂窝状金属结构体,因良好的力学性能,轻量化、拓扑优化的特点,可以广泛应用于对材料要求极其严苛的航空航天航发领域。比如,替代传统技术所生产的机翼、机身材料,在坚固结实的同时,大大地减轻航空航天器材自重,设计人员就无需再经常为减重而不得不牺牲飞机性能,牺牲武器挂载。

薛蕾介绍,他们目前在航空航天航发领域打印的两万余件零部件,在产品结构优化和功能提升的同时,均实现了整体结构减重,最高减重超过60%。

“金属3D打印正在创造一个宏大的新世界,今天,这个宏大的新世界仅仅是展现出一抹晨曦。”在黄卫东看来,热加工的发明,使人类从“石器时代”进入“金属器时代”,冷加工的发明则推动人类进入“复杂机械时代”,而增材制造必将促成人类制造能力的又一次大飞跃。

“它将带动人类进入全新的‘自由设计时代’,并从根本上转变制造方式,推动社会产生更进一步的巨大变革。”黄卫东和薛蕾告诉记者:革命性的金属3D打印技术将“让设计更自由、让制造更简单”,将弥补我国传统金属加工业的短板和不足,助力中国工业制造完成从“机械加工”到“智能制造”的转变。(记者 黄博 孙海华)

编辑:丁婉


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