中國3D列印突破技術領先西方超越傳統製造工藝

軍情 06-15

原標題：中國3D列印突破技術領先西方超越傳統製造工藝

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（一）傳統製造工藝成本高，不是鍛造機身框架的最佳選擇

現代化的戰鬥機由於需要進行高機動飛行，對機體承力機構的疲勞強度要求極高，而且要求結構重量必須盡量得輕。

從理論上講，機身框架結構的整體性越好，減重效果越明顯，疲勞強度越高，通俗地說，就是要求機身框架整體模鍛成型，盡量減少連接部分。

因此，從第三代戰鬥機開始，很多國家都應用鈦合金模鍛件做機身框架。

下面就是美軍用於F-15戰鬥機發動機段機身隔框的鈦合金模鍛件，左圖為鑄造毛坯，右圖是鑄造毛坯通過4.5萬噸模鍛壓機鍛造後的模鍛件。

鈦合金具有強度高、塑性小的特點，對模鍛壓機的壓力要求非常高，鍛造手掌大小（150平方厘米左右）的鈦合金件就需要壓機噸位為1000噸的模鍛壓機。

美國在利用4.5萬噸模鍛液壓機和先進潤滑技術（可以降低模鍛變形抗力）的情況下，也只能把F-15戰鬥機發動機機身隔框分兩半鍛造，然後進行機加工後通過電子束焊接成一個整體。

而且，這其中還涉及到大型鍛造模具的設計和製造，周期一般在1年左右，成本在幾千萬人民幣。

大型鈦合金鍛造模具需要很多的經驗積累，一次性成功的概率很低，一旦失敗重新開模，不僅浪費大量的金錢，還要浪費1年時間。

此外，鍛造毛坯還需要進行數控機床加工，整個過程90%以上的材料要被切削掉，數控加工的周期一般都需要一個月以上，而最終的成品重量只有幾百公斤，價比黃金，代價非常高昂。

可以看到，採用傳統製造工藝，即使一切順利的情況下，單單是一個機身隔框的製造周期都要接近兩年，更不要說成本問題了。

那麼，有沒有什麼方法可以降低高昂的成本、減少加工製造周期，直接造出一個完整的機身框架出來呢？

隨著激光3D列印技術的發展，這個問題逐漸有了答案。

（二）讓零件一層層「長」出來，激光3D列印技術省去開模周期和成本

3D列印，又叫增材製造（Additive manufacturing），是一種以數字模型文件為基礎，通過擠壓、燒結、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，製造出實體物品的製造技術。

相對於對原材料進行去除、切削、組裝的傳統加工模式，這種技術在極小批量複雜結構零件製造領域擁有巨大的成本、周期和性能優勢。

目前市場上應用最廣的是選擇性激光燒結（SLM）激光3D列印，其步驟如下：

1、導入需要列印零件的數字模型並對模型進行分層，將相關數據導入到3D印表機；

2、列印室充入保護性氣體，防止列印過程中高溫金屬接觸空氣氧化形成缺陷；

3、根據截面數據，印表機控制激光在鋪設好的粉末上方選擇性地對粉末進行掃描照射，金屬粉末加熱到完全熔化後成型；

4、工作台降低一個單位的高度，一層新的粉末通過送粉結構鋪撒在已成型的當前層之上，設備調入新一層截面的數據進行激光熔化，與前一層截面粘結，此過程逐層循環直至整個物體成型。

可以看出，激光3D列印不需要模具，而是直接通過高能激光熔融金屬粉末讓零件一層層地「長」出來，可以省去開模的成本和周期。

在列印小型零件時，激光3D列印的精度最高可以達到0.1毫米，列印大型零件的精度一般也在毫米級別，這大大超越了模鍛件的精度，後續機加工的餘量可以減少90%以上，極大地減少了機加工的成本和周期。

既然激光3D列印的優勢如此明顯，那麼西方發達國家為什麼不用來製造鈦合金機身框架呢？

這是因為，目前市場上的激光3D印表機能夠列印的零件最大尺寸一般不超過的發達國家1000 X 800毫米，但是戰鬥機鈦合金機身框架的投影面積一般都超過了5平方米，而且有越來越大型化的趨勢，在列印過程中，鈦合金變形、斷裂等技術難題也越來越凸顯，像美國這樣的發達國家沒有攻克這些技術難關，不能生產滿足要求的大型激光3D印表機。

與之相對的是，中國的鈦合金3D列印技術後來居上，逐漸突破了種種技術難關，成為目前世界上唯一掌握激光成形鈦合金大型主承力構件製造技術並且可以裝機應用的國家。

（三）實現激光3D印表機大型化，需要突破哪些技術難關？

激光3D印表機大型化以後會面臨很多技術難題，由北京航空航天大學王華明院士主持研發的激光3D印表機經過不斷的迭代優化，目前最大列印面積已經達到了15平方米，更是要突破很多技術難題。

首先要突破的技術是送粉裝置問題。

小型激光3D印表機一般採用滾筒式送粉裝置，就是不管列印的零件大小形狀如何，在整個列印室裡面都均勻鋪上一層粉。

列印面積大幅度增加後，如果還採用滾筒式送粉裝置的話，滾筒尺寸會變得非常巨大，難以進行控制。