拥抱变革利器 航空3D打印大有可为

【编者按】3D打印技术也在改变着航空航天这类高精尖产业。关键零部件加工难、特殊材料利用率低等是长期以来制约航空航天发展的重要因素。3D打印快速成型的特性使其成为航空航天领域未来最具潜力的技术之一。

今年的巴西里约因奥运会成为焦点。而在里约的一个艺术展览中，被誉为古代文明七大奇迹之一的奥林匹亚宙斯神像成为另一个热点。令参观者景仰的不仅是宙斯这位众神之首，更是让宙斯神像复原的“法宝”———3D打印。

不仅在艺术领域，3D打印技术也在改变着航空航天这类高精尖产业。专家指出，关键零部件加工难、特殊材料利用率低等是长期以来制约航空航天发展的重要因素。3D打印快速成型的特性使其成为航空航天领域未来最具潜力的技术之一。

3D打印应用广泛

3D打印是一种快速成型技术，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。或者更为专业的名称“增材制造技术”。

这项技术诞生于上个世纪90年代，目前已经被广泛应用到建筑、工程、医疗、汽车、工业设计和航空航天，甚至珠宝、艺术等诸多领域。上文提到的“宙斯的穿越”就是一个很好的例证。

“的确，增材制造技术的快速建模、快速成型可以大大缩短产品的设计周期或者生产周期，更重要的是，它可以打印出或者说制造出传统工艺无法做到的产品设计。这是很有意思的，也是航空航天引入增材制造技术的重要原因。”霍尼韦尔科技事业部航空航天中国研发中心总经理徐军说。

作为将3D打印技术引入航空航天业的领先者，霍尼韦尔在中国的3D打印实验室于2014年建成，全球其它三个实验室分别位于美国、印度和捷克。自2010年起，霍尼韦尔就开始深耕3D打印领域，积累了丰富的研究经验，并成功地将3D打印技术生产出的零件装配在了飞机发动机上。

2010年6月，霍尼韦尔首次采用718镍合金3D打印了一个切向注入喷嘴(TOBI)，并将其安装在了霍尼韦尔飞行试验台上。2012年1月，霍尼韦尔使用同种材料打印了旋流发生器，并在客户的飞行试验台上进行了测试。三年后，霍尼韦尔则使用电子束熔炼(EBM)技术，利用铬镍铁合金718材料生产了HTF7000发动机的管腔。

与传统制造方式相比，3D打印在航空航天装备制造方面优势颇多。首先，3D打印的加工过程则不受零件复杂程度所限，这与航空航天装备关键零部件的外形和内部结构通常较为复杂的特点相吻合。其次，3D打印技术可以轻松地加工高熔点、高硬度的高温合金、钛合金等难加工的航空航天装备关键零部件材料，且3D打印加工过程中对材料的利用相对充分，可以显著降低制造成本等。

尚有难关待破

不过，3D打印使用中还有一些难关待攻克。以金属3D打印为例，多被用于机械制造和航空航天工程中形状复杂的零件制造，对技术指标要求极高。正因如此，“有的时候，3D打印机也不是那么配合。”霍尼韦尔科技事业部航空航天中国研发中心增材制造工程项目经理AlexandreBaudot说道，“它似乎不太友好，要为难我们一下。”目前，他正带领3D打印热交换器项目组进行技术攻坚，他所说的“为难”，也就是他们与3D打印机半年多来的“斗智斗勇”。

“热交换器最大的挑战在于它里面的翅片非常薄，只有不到0.2毫米。而3D打印机能够稳定发挥的极致是0.3-0.4毫米，这是机器本身的一个限制，同时也因为金属粉末在高能激光烧结下会发生膨胀，冷却后会有点收缩，因此会和理论值产生误差。所以说它不可能做到完全地让你随心所欲地打出想要多薄就多薄的东西。应该说，是我们先‘为难’它了。”郭鑫是霍尼韦尔在科技事业部航空航天中国研发中心3D打印实验室的机械工程师，也是这个项目的主要成员之一。在加入霍尼韦尔之前，他的工作只与2D打印有关。有机会学习3D打印技术，是他加入霍尼韦尔的原因。

这个项目的另一位主要成员是高级机械设计工程师窦娟。与郭鑫不同，她在霍尼韦尔工作了九年多。但相同的是，加入这个3D打印实验室之前，她与此有关的经验为零。“没有什么秘诀，就是不断地学习、接受各种培训，我拿到支撑设计资格证书的时候，还是有点小小的自豪的。”窦娟说。

支撑设计对3D打印至关重要。设计得太复杂不利于打印，也会给打印完成之后的移除带来巨大的工作量和成本。但是设计得不到位，打印就会失败。3D打印并不像打印纸张那样，放进一张纸，纸就会从打印机里吐出来。由于它是一个三维立体的东西，它需要先打印在一个底座上才行，而底座和这个物件之间，就需要一个支撑。窦娟说起3D打印的设计支撑，还是带着一些小小的自豪。

从年初到现在，这个项目组已经进行了6次“设计试验”。每一次的试验从计划、设计、打印、移除支撑到测量和测试功能，大约10天左右的时间。突破，发生在第2次试验之后。窦娟和郭鑫分别从支撑设计和3D打印机的参数和功能设置上找到了可行的解决办法，并且在第3次试验开始尝试不同的组合，以期找到最完美的“配方”，攻克难关。

项目组认为，热交换器是机械元件产品组合中的重要元件之一。传统制造工艺使这种产品的设计和打样需要投入很高的成本，更换翅片设计更是需要在模具上耗费相当的成本。一种翅片的工期从生产到装配，短则半年，长则一年。更重要的是传统工艺生产热交换器的成品率相当低，只有85%。“因此，我们十分期待有朝一日，这样的产品能够通过3D打印技术来生产。”在项目组看来，与3D打印机“斗智斗勇”并不是一件痛苦的事情，相反，他们觉得每一次的尝试，都往目标迈进了一步。

专家指出，航空航天作为3D打印技术的首要应用领域，其技术优势明显，但是这绝不是意味着金属3D打印是无所不能的，在实际生产中，其技术应用还有很多亟待决绝的问题。目前3D打印还无法适应大规模生产，满足不了高精度需求，无法实现高效率制造等。而且，制约3D打印发展的一个关键因素就是其设备成本的居高不下。但随着材料技术，计算机技术以及激光技术的不断发展，制造成本将会不断降低，3D打印将会在制造领域绽放光芒。

3D打印成舍弗勒战略重点

机床制造商德马吉森精机公司和滚动轴承、线性滑轨和驱动技术系统供应商舍弗勒技术股份两家公司日前在日本国际机床展览会上签署合作协议，致力于在滚动轴承增材制造领域实现双方的共同发展。增材制造是舍弗勒发展规划的战略重点。

舍弗勒集团工业事业部首席执行官斯特凡·施平德勒博士表示：“双方合作，互利共赢，可推动机床业的未来和滚动轴承技术的持续发展。我们共同完成的‘机床4.0’发展项目已以其丰硕成果证明了这一点。双方在增材制造领域的合作意味着未来发展历程中又出现了一个重要战略领域。”

德马吉森精机公司研发的Lasertec653D技术为双方的合作发展奠定了坚实基础，这是一款五轴多工序自动数控机床，其中包括舍弗勒将采用的激光金属沉积焊接机。该机床旨在发展激光金属沉积焊接增材生产技术，并将其最终运用于滚动轴承部件的原型及小批量柔性制造中。

双方合作聚焦于工艺流程、所用材料及材料与工艺的匹配性。采用激光金属沉积焊接技术可在熔化材料的同时将其应用于物体表面，因此材料为金属粉末，而热源是一种高性能激光。增材制造工艺与德马吉森精机公司为混合设备而研发的传统五轴机械加工技术相结合，以此方式可提高部件加工速度。

今年年初，双方开始在销售领域进行合作，并将这种合作关系进一步延伸到了2017年的日本国际机床展览会。作为合作方，舍弗勒承担了德马吉森精机公司轴承和线性滑轨在全球范围内的销售工作。在东京举办的日本国际机床展览会上，舍弗勒和德马吉森精机公司展示了与其他合作伙伴共同完成的“机床4.0”创新项目。

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