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飞机钛合金起落架可3D打印

神奇的3D打印,除了可以打印出假牙、手枪、玩具、人体器官外,如今还能打印出飞机钛合金起落架、主承力框等大型关键构件。北京航空航天大学激光3D打印技术研究团队最近制作的多型钛合金复杂大型构件,被证明能在卫星和火箭上使用。

3D打印,学名叫“增材制造”,是一种先进的数字制造技术。它以金属粉、陶瓷粉、塑料等作为“墨水”,可在计算机自动控制下,根据三维数字模型,通过粉末熔化烧结或融丝挤出等方式逐层堆积打印材料,直接制造出三维复杂产品。

直接制造重大装备的“高性能大型金属构件”是3D打印技术未来的发展方向。北航王华明教授带领的团队,在这一领域已攻关近20年。他们研究出国际领先的“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”,使我国成为目前世界上唯一突破飞机钛合金大型主承力结构件激光增材制造技术并实现装机工程应用的国家,该项成果荣获2012年度国家技术发明一等奖。

钛合金大型整体构件是飞机的重要组成部分,采用传统方法制作这样的产品是做“减法”:首先要制作大型锻造模具,然后用压力达几万吨的水压机进行毛坯锻造,最后对毛坯进行大量切削加工,90%以上的材料都要被切削浪费掉,制造工期长,成本也高。

王华明团队发明的技术则是做“加法”:通过计算机自动控制,在自主研发的大型金属构件“3D打印机”中,高功率激光束将同步输送的合金粉末逐层熔化堆积,就可直接“生长”出大型复杂高性能金属构件。王华明打了一个比喻,这项技术犹如“生长术”,只需要按照一定路线一层一层地添加材料,就能“生长”出任意复杂形状的零件,时间很短,而且不用制造模具,更加节省材料。

我国自主研发的大型客机C919机头工程样机的钛合金主风挡整体窗框,就是王华明团队采用3D打印技术生产的,只花了55天,零件成本不足20万美元。若是拿到欧洲去生产,光是锻造模具费就要200万美元,而且交货期长达两年!

北航激光增材制造技术团队成员汤海波透露,高性能大型金属构件激光成形技术难度很高,因为零件尺寸越大,打印过程零件变形开裂倾向越大。为此,北航团队发明了一系列3D打印新工艺及相关软件,有效克服了金属材料变形、翘曲、开裂等问题。用激光打印时,若每层之间熔合不牢或存在缺陷,将严重影响打印产品的质量和性能,北航团队找到一系列技术诀窍,能主动控制打印构件的内部质量和性能。此外,经高能激光熔化的液态金属温度高达几千摄氏度,周围需要无氧、无氮等特定的气体环境。传统的做法是建一间超大的真空室,把机床、打印机等全部放进去。而北航研究人员发明了全新的装备技术,仅仅把成形的部分放在真空环境,只需与零件差不多大小的箱子模样的成形保护室,就能有效解决气体环境问题,设备维护便捷且造价低廉。

未来几年,本市将着力打造世界领先的高性能金属构件激光增材制造产业链企业集群,主要面向航空、航天、航海以及电力等高端装备制造业,持续开展钛合金、高强钢、铝合金等高性能大型关键金属构件激光增材制造关键技术研究,为提升我国重大工业装备制造业水平提供技术支撑。在市科委的支持下,北航的研究团队计划与相关企业合作,组建激光增材制造产业创新团队,加入该产业链。


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