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最近幾年，中國(guó)航空工業(yè)捷報(bào)頻傳，先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)，艦載機(jī)，運(yùn)輸機(jī)接踵而出，其中最為引人關(guān)注的是，在2013年全球3D打印熱潮中，以北航和西工大兩個(gè)科研主體帶動(dòng)，沈飛、成飛、西飛等數(shù)家航空制造企業(yè)為主體，成為全球第二個(gè)能夠在實(shí)際應(yīng)用中利用3D打印技術(shù)制造飛機(jī)零件的國(guó)家。
美國(guó)90年代即開始應(yīng)用3D技術(shù)造戰(zhàn)機(jī)
自航空技術(shù)出現(xiàn)以后，中國(guó)航空工業(yè)就一直居于落后的地位，建國(guó)60年以來，我們學(xué)蘇聯(lián)、學(xué)美國(guó)、學(xué)歐洲，中國(guó)航空工業(yè)給人的印象就是差半截，落后N年的。
3D打印技術(shù)目前在全球也是前沿技術(shù)和前沿應(yīng)用，最尖端的航空工業(yè)對(duì)這種技術(shù)最為關(guān)注也最嚴(yán)謹(jǐn)，美國(guó)90年代中期就獲得這類技術(shù)的工業(yè)嘗試，但是他們一直稱為近凈成型加工技術(shù)，F(xiàn)－22,F－35都有應(yīng)用，不過因?yàn)橐恍┘庸すに嚨仍�，美�?guó)也沒有能大規(guī)模應(yīng)用，但美國(guó)將這一技術(shù)一直作為先進(jìn)制造技術(shù)而由美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DRAPA）牽頭，組織美國(guó)30多家企業(yè)對(duì)這一技術(shù)長(zhǎng)期研究。
日本佳能是首家使用3D打印技術(shù)民用公司
在民用領(lǐng)域，第一個(gè)應(yīng)用這個(gè)技術(shù)的是日本佳能公司，他們?cè)谄漤敿?jí)的單反相機(jī)殼體上使用類似的技術(shù)制造鎂鋁合金的特殊曲面的頂蓋。航空工業(yè)中，洛克希德-馬丁和波音公司都曾展示過類似的飛機(jī)大框，只是沒有明確表示技術(shù)渠道。那么，中國(guó)如何取得這樣的成果的呢？這些技術(shù)有什么優(yōu)勢(shì)和缺陷呢？3D打印技術(shù)成型是將金屬熔融后疊加?金模網(wǎng)CEO羅百輝表示，從金屬制造和加工業(yè)來說，3D打印基本原理是將零件數(shù)字化模型進(jìn)行空間網(wǎng)格化，通過像素化分解成為一個(gè)個(gè)空間點(diǎn)陣，然后利用金屬微量熔融或燒結(jié)的沉積技術(shù)，將零件一層層堆積而成，它的成型原理類似于目前普遍使用的激光打印機(jī)，只是普通的激光打印機(jī)所打印的是平面圖形，而3D打印則是通過累計(jì)一層一層的打印圖形形成空間三維構(gòu)型實(shí)體。
3D打印可使用鈦合金和超高強(qiáng)度鋼等材料
航空工業(yè)應(yīng)用的3D打印主要集中在鈦合金，鋁鋰合金，超高強(qiáng)度鋼，高溫合金等材料方面，這些材料基本都是強(qiáng)度高，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易成型加工，傳統(tǒng)加工工藝成本高昂的類型。最初出現(xiàn)的技術(shù)是來源于電子束焊接技術(shù)，電子束焊接是利用高能電子束在真空或者接近真空的環(huán)境中，直接熔融焊接材料體，電子束具有快速融化，可數(shù)字控制掃描，可快速移動(dòng)的特點(diǎn)，因此，利用電子束快速掃描形成成型的熔融區(qū)，用金屬絲按電子束掃描線步進(jìn)放置在熔融區(qū)上，電子束熔融金屬絲形成熔融金屬沉積，這種技術(shù)叫做電子束熔化成型（Electron?beam?melting，EBM），90年代美國(guó)麻省理工和普惠聯(lián)合研發(fā)了這一技術(shù)，并利用它加工出大型渦輪盤件。
電子束快速數(shù)字成型技術(shù)的基礎(chǔ)是當(dāng)時(shí)電子束焊發(fā)展已經(jīng)成熟，工業(yè)級(jí)電子束可達(dá)幾十千瓦，能夠熔融焊接厚度超過40～100mm的金屬板，在墮性氣體隔絕保護(hù)下，或真空狀態(tài)下，電子束可以處理鋁合金，鈦合金，鎳基高溫合金等。
電子束熔化成型由于電子束聚焦點(diǎn)直徑較大，加工過程中熱效應(yīng)較強(qiáng)，形成零件精度有限，它能獲得比精密鑄造更精確的零件胚形，可以減少約70～80％機(jī)械加工的工時(shí)及成本。
電子束是3D金屬打印成型最快方法
中國(guó)從90年代末期獲得大功率電子束技術(shù)后積極開展了絲束增材成型的研究，2006年后正式成立電子束快速成型研究分部，在材料類型，快速穩(wěn)定的熔融凝固，大型結(jié)構(gòu)變形控制等方面取得進(jìn)展，目前，已經(jīng)能開始使用該技術(shù)生產(chǎn)飛機(jī)零件，并在一些重點(diǎn)型號(hào)的研制中得以應(yīng)用。電子束快速成型技術(shù)目前還有一些技術(shù)難點(diǎn)尚待進(jìn)一步研究，比如成型過程中廢熱高，金屬構(gòu)件中金相結(jié)構(gòu)控制較為困難，特別是成型時(shí)間長(zhǎng)，先凝固的部分經(jīng)受的高溫時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)金屬晶態(tài)成長(zhǎng)控制困難，進(jìn)而引起大尺度構(gòu)件應(yīng)力復(fù)雜等等。
電子束成型對(duì)復(fù)雜腔體，扭轉(zhuǎn)體，薄壁腔體等成型效果不佳，他的成形點(diǎn)陣精度在毫米級(jí)，所以成型以后仍然需要傳統(tǒng)的精密機(jī)械加工，也需要傳統(tǒng)的熱處理，甚至鍛造等等。
但電子束快速成型速度快，是目前3D金屬打印類打印速度最快的，可達(dá)15KG／小時(shí)，設(shè)備工業(yè)化成熟度高，基本可由貨架產(chǎn)品組合，生產(chǎn)線構(gòu)建成本低，具有很強(qiáng)的工業(yè)普及基礎(chǔ)，同時(shí)，電子束快速成型設(shè)備同時(shí)還能具有一定的焊接能力和金屬構(gòu)件表面修復(fù)能力，應(yīng)用前景廣泛。在發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，目前美國(guó)和中國(guó)在電子束控制單晶金屬近凈形成型技術(shù)方面正積極研究，一旦獲得突破，傳統(tǒng)的單晶渦輪葉片生產(chǎn)困難和生產(chǎn)成本高的問題將獲得極大的改善，從而大大提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)研制改進(jìn)等提供了極大的助力。
電子束成型對(duì)復(fù)雜腔體，扭轉(zhuǎn)體，薄壁腔體等成型效果不佳，他的成形點(diǎn)陣精度在毫米級(jí)，所以成型以后仍然需要傳統(tǒng)的精密機(jī)械加工，也需要傳統(tǒng)的熱處理，甚至鍛造等等。
但電子束快速成型速度快，是目前3D金屬打印類打印速度最快的，可達(dá)15KG／小時(shí)，設(shè)備工業(yè)化成熟度高，基本可由貨架產(chǎn)品組合，生產(chǎn)線構(gòu)建成本低，具有很強(qiáng)的工業(yè)普及基礎(chǔ)，同時(shí)，電子束快速成型設(shè)備同時(shí)還能具有一定的焊接能力和金屬構(gòu)件表面修復(fù)能力，應(yīng)用前景廣泛。在發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，目前美國(guó)和中國(guó)在電子束控制單晶金屬近凈形成型技術(shù)方面正積極研究，一旦獲得突破，傳統(tǒng)的單晶渦輪葉片生產(chǎn)困難和生產(chǎn)成本高的問題將獲得極大的改善，從而大大提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)研制改進(jìn)等提供了極大的助力。
在2013年北京科博會(huì)現(xiàn)場(chǎng)展示的由北京航空航天大學(xué)團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)的飛機(jī)鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光快速成型技術(shù)。
