今年的巴西里約因奧運(yùn)會(huì)成為焦點(diǎn)。而在里約的一個(gè)藝術(shù)展覽中，被譽(yù)為古代文明七大奇跡之一的奧林匹亞宙斯神像成為另一個(gè)熱點(diǎn)。令參觀者景仰的不僅是宙斯這位眾神之首，更是讓宙斯神像復(fù)原的“法寶”———3D打印。
不僅在藝術(shù)領(lǐng)域，3D打印技術(shù)也在改變著航空航天這類高精尖產(chǎn)業(yè)。專家指出，關(guān)鍵零部件加工難、特殊材料利用率低等是長期以來制約航空航天發(fā)展的重要因素。3D打印快速成型的特性使其成為航空航天領(lǐng)域未來最具潛力的技術(shù)之一。
3D打印應(yīng)用廣泛
3D打印是一種快速成型技術(shù)，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。或者更為專業(yè)的名稱“增材制造技術(shù)”。
這項(xiàng)技術(shù)誕生于上個(gè)世紀(jì)90年代，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到建筑、工程、醫(yī)療、汽車、工業(yè)設(shè)計(jì)和航空航天，甚至珠寶、藝術(shù)等諸多領(lǐng)域。上文提到的“宙斯的穿越”就是一個(gè)很好的例證。
“的確，增材制造技術(shù)的快速建模、快速成型可以大大縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期或者生產(chǎn)周期，更重要的是，它可以打印出或者說制造出傳統(tǒng)工藝無法做到的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。這是很有意思的，也是航空航天引入增材制造技術(shù)的重要原因。”霍尼韋爾科技事業(yè)部航空航天中國研發(fā)中心總經(jīng)理徐軍說。
作為將3D打印技術(shù)引入航空航天業(yè)的領(lǐng)先者，霍尼韋爾在中國的3D打印實(shí)驗(yàn)室于2014年建成，全球其它三個(gè)實(shí)驗(yàn)室分別位于美國、印度和捷克。自2010年起，霍尼韋爾就開始深耕3D打印領(lǐng)域，積累了豐富的研究經(jīng)驗(yàn)，并成功地將3D打印技術(shù)生產(chǎn)出的零件裝配在了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上。
2010年6月，霍尼韋爾首次采用718鎳合金3D打印了一個(gè)切向注入噴嘴（TOBI），并將其安裝在了霍尼韋爾飛行試驗(yàn)臺(tái)上。2012年1月，霍尼韋爾使用同種材料打印了旋流發(fā)生器，并在客戶的飛行試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了測(cè)試。三年后，霍尼韋爾則使用電子束熔煉（EBM）技術(shù)，利用鉻鎳鐵合金718材料生產(chǎn)了HTF7000發(fā)動(dòng)機(jī)的管腔。
與傳統(tǒng)制造方式相比，3D打印在航空航天裝備制造方面優(yōu)勢(shì)頗多。首先，3D打印的加工過程則不受零件復(fù)雜程度所限，這與航空航天裝備關(guān)鍵零部件的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常較為復(fù)雜的特點(diǎn)相吻合。其次，3D打印技術(shù)可以輕松地加工高熔點(diǎn)、高硬度的高溫合金、鈦合金等難加工的航空航天裝備關(guān)鍵零部件材料，且3D打印加工過程中對(duì)材料的利用相對(duì)充分，可以顯著降低制造成本等。
尚有難關(guān)待破
不過，3D打印使用中還有一些難關(guān)待攻克。以金屬3D打印為例，多被用于機(jī)械制造和航空航天工程中形狀復(fù)雜的零件制造，對(duì)技術(shù)指標(biāo)要求極高。正因如此，“有的時(shí)候，3D打印機(jī)也不是那么配合。”霍尼韋爾科技事業(yè)部航空航天中國研發(fā)中心增材制造工程項(xiàng)目經(jīng)理AlexandreBaudot說道，“它似乎不太友好，要為難我們一下。”目前，他正帶領(lǐng)3D打印熱交換器項(xiàng)目組進(jìn)行技術(shù)攻堅(jiān)，他所說的“為難”，也就是他們與3D打印機(jī)半年多來的“斗智斗勇”。
“熱交換器最大的挑戰(zhàn)在于它里面的翅片非常薄，只有不到0.2毫米。而3D打印機(jī)能夠穩(wěn)定發(fā)揮的極致是0.3-0.4毫米，這是機(jī)器本身的一個(gè)限制，同時(shí)也因?yàn)榻饘俜勰┰诟吣芗す鉄Y(jié)下會(huì)發(fā)生膨脹，冷卻后會(huì)有點(diǎn)收縮，因此會(huì)和理論值產(chǎn)生誤差。所以說它不可能做到完全地讓你隨心所欲地打出想要多薄就多薄的東西。應(yīng)該說，是我們先‘為難’它了。”郭鑫是霍尼韋爾在科技事業(yè)部航空航天中國研發(fā)中心3D打印實(shí)驗(yàn)室的機(jī)械工程師，也是這個(gè)項(xiàng)目的主要成員之一。在加入霍尼韋爾之前，他的工作只與2D打印有關(guān)。有機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)，是他加入霍尼韋爾的原因。
這個(gè)項(xiàng)目的另一位主要成員是高級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)工程師竇娟。與郭鑫不同，她在霍尼韋爾工作了九年多。但相同的是，加入這個(gè)3D打印實(shí)驗(yàn)室之前，她與此有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)為零。“沒有什么秘訣，就是不斷地學(xué)習(xí)、接受各種培訓(xùn)，我拿到支撐設(shè)計(jì)資格證書的時(shí)候，還是有點(diǎn)小小的自豪的。”竇娟說。
支撐設(shè)計(jì)對(duì)3D打印至關(guān)重要。設(shè)計(jì)得太復(fù)雜不利于打印，也會(huì)給打印完成之后的移除帶來巨大的工作量和成本。但是設(shè)計(jì)得不到位，打印就會(huì)失敗。3D打印并不像打印紙張那樣，放進(jìn)一張紙，紙就會(huì)從打印機(jī)里吐出來。由于它是一個(gè)三維立體的東西，它需要先打印在一個(gè)底座上才行，而底座和這個(gè)物件之間，就需要一個(gè)支撐。竇娟說起3D打印的設(shè)計(jì)支撐，還是帶著一些小小的自豪。
從年初到現(xiàn)在，這個(gè)項(xiàng)目組已經(jīng)進(jìn)行了6次“設(shè)計(jì)試驗(yàn)”。每一次的試驗(yàn)從計(jì)劃、設(shè)計(jì)、打印、移除支撐到測(cè)量和測(cè)試功能，大約10天左右的時(shí)間。突破，發(fā)生在第2次試驗(yàn)之后。竇娟和郭鑫分別從支撐設(shè)計(jì)和3D打印機(jī)的參數(shù)和功能設(shè)置上找到了可行的解決辦法，并且在第3次試驗(yàn)開始嘗試不同的組合，以期找到最完美的“配方”，攻克難關(guān)。
項(xiàng)目組認(rèn)為，熱交換器是機(jī)械元件產(chǎn)品組合中的重要元件之一。傳統(tǒng)制造工藝使這種產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和打樣需要投入很高的成本，更換翅片設(shè)計(jì)更是需要在模具上耗費(fèi)相當(dāng)?shù)某杀尽Ｒ环N翅片的工期從生產(chǎn)到裝配，短則半年，長則一年。更重要的是傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)熱交換器的成品率相當(dāng)?shù)停挥?/span>85%。“因此，我們十分期待有朝一日，這樣的產(chǎn)品能夠通過3D打印技術(shù)來生產(chǎn)。”在項(xiàng)目組看來，與3D打印機(jī)“斗智斗勇”并不是一件痛苦的事情，相反，他們覺得每一次的嘗試，都往目標(biāo)邁進(jìn)了一步。
專家指出，航空航天作為3D打印技術(shù)的首要應(yīng)用領(lǐng)域，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，但是這絕不是意味著金屬3D打印是無所不能的，在實(shí)際生產(chǎn)中，其技術(shù)應(yīng)用還有很多亟待決絕的問題。目前3D打印還無法適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)，滿足不了高精度需求，無法實(shí)現(xiàn)高效率制造等。而且，制約3D打印發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素就是其設(shè)備成本的居高不下。但隨著材料技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)以及激光技術(shù)的不斷發(fā)展，制造成本將會(huì)不斷降低，3D打印將會(huì)在制造領(lǐng)域綻放光芒。 今年的巴西里約因奧運(yùn)會(huì)成為焦點(diǎn)。而在里約的一個(gè)藝術(shù)展覽中，被譽(yù)為古代文明七大奇跡之一的奧林匹亞宙斯神像成為另一個(gè)熱點(diǎn)。令參觀者景仰的不僅是宙斯這位眾神之首，更是讓宙斯神像復(fù)原的“法寶”———3D打印。
不僅在藝術(shù)領(lǐng)域，3D打印技術(shù)也在改變著航空航天這類高精尖產(chǎn)業(yè)。專家指出，關(guān)鍵零部件加工難、特殊材料利用率低等是長期以來制約航空航天發(fā)展的重要因素。3D打印快速成型的特性使其成為航空航天領(lǐng)域未來最具潛力的技術(shù)之一。
3D打印應(yīng)用廣泛
3D打印是一種快速成型技術(shù)，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。或者更為專業(yè)的名稱“增材制造技術(shù)”。
這項(xiàng)技術(shù)誕生于上個(gè)世紀(jì)90年代，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到建筑、工程、醫(yī)療、汽車、工業(yè)設(shè)計(jì)和航空航天，甚至珠寶、藝術(shù)等諸多領(lǐng)域。上文提到的“宙斯的穿越”就是一個(gè)很好的例證。
“的確，增材制造技術(shù)的快速建模、快速成型可以大大縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期或者生產(chǎn)周期，更重要的是，它可以打印出或者說制造出傳統(tǒng)工藝無法做到的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。這是很有意思的，也是航空航天引入增材制造技術(shù)的重要原因。”霍尼韋爾科技事業(yè)部航空航天中國研發(fā)中心總經(jīng)理徐軍說。
作為將3D打印技術(shù)引入航空航天業(yè)的領(lǐng)先者，霍尼韋爾在中國的3D打印實(shí)驗(yàn)室于2014年建成，全球其它三個(gè)實(shí)驗(yàn)室分別位于美國、印度和捷克。自2010年起，霍尼韋爾就開始深耕3D打印領(lǐng)域，積累了豐富的研究經(jīng)驗(yàn)，并成功地將3D打印技術(shù)生產(chǎn)出的零件裝配在了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上。
2010年6月，霍尼韋爾首次采用718鎳合金3D打印了一個(gè)切向注入噴嘴（TOBI），并將其安裝在了霍尼韋爾飛行試驗(yàn)臺(tái)上。2012年1月，霍尼韋爾使用同種材料打印了旋流發(fā)生器，并在客戶的飛行試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了測(cè)試。三年后，霍尼韋爾則使用電子束熔煉（EBM）技術(shù)，利用鉻鎳鐵合金718材料生產(chǎn)了HTF7000發(fā)動(dòng)機(jī)的管腔。
與傳統(tǒng)制造方式相比，3D打印在航空航天裝備制造方面優(yōu)勢(shì)頗多。首先，3D打印的加工過程則不受零件復(fù)雜程度所限，這與航空航天裝備關(guān)鍵零部件的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常較為復(fù)雜的特點(diǎn)相吻合。其次，3D打印技術(shù)可以輕松地加工高熔點(diǎn)、高硬度的高溫合金、鈦合金等難加工的航空航天裝備關(guān)鍵零部件材料，且3D打印加工過程中對(duì)材料的利用相對(duì)充分，可以顯著降低制造成本等。
尚有難關(guān)待破
不過，3D打印使用中還有一些難關(guān)待攻克。以金屬3D打印為例，多被用于機(jī)械制造和航空航天工程中形狀復(fù)雜的零件制造，對(duì)技術(shù)指標(biāo)要求極高。正因如此，“有的時(shí)候，3D打印機(jī)也不是那么配合。”霍尼韋爾科技事業(yè)部航空航天中國研發(fā)中心增材制造工程項(xiàng)目經(jīng)理AlexandreBaudot說道，“它似乎不太友好，要為難我們一下。”目前，他正帶領(lǐng)3D打印熱交換器項(xiàng)目組進(jìn)行技術(shù)攻堅(jiān)，他所說的“為難”，也就是他們與3D打印機(jī)半年多來的“斗智斗勇”。
“熱交換器最大的挑戰(zhàn)在于它里面的翅片非常薄，只有不到0.2毫米。而3D打印機(jī)能夠穩(wěn)定發(fā)揮的極致是0.3-0.4毫米，這是機(jī)器本身的一個(gè)限制，同時(shí)也因?yàn)榻饘俜勰┰诟吣芗す鉄Y(jié)下會(huì)發(fā)生膨脹，冷卻后會(huì)有點(diǎn)收縮，因此會(huì)和理論值產(chǎn)生誤差。所以說它不可能做到完全地讓你隨心所欲地打出想要多薄就多薄的東西。應(yīng)該說，是我們先‘為難’它了。”郭鑫是霍尼韋爾在科技事業(yè)部航空航天中國研發(fā)中心3D打印實(shí)驗(yàn)室的機(jī)械工程師，也是這個(gè)項(xiàng)目的主要成員之一。在加入霍尼韋爾之前，他的工作只與2D打印有關(guān)。有機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)，是他加入霍尼韋爾的原因。
這個(gè)項(xiàng)目的另一位主要成員是高級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)工程師竇娟。與郭鑫不同，她在霍尼韋爾工作了九年多。但相同的是，加入這個(gè)3D打印實(shí)驗(yàn)室之前，她與此有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)為零。“沒有什么秘訣，就是不斷地學(xué)習(xí)、接受各種培訓(xùn)，我拿到支撐設(shè)計(jì)資格證書的時(shí)候，還是有點(diǎn)小小的自豪的。”竇娟說。
支撐設(shè)計(jì)對(duì)3D打印至關(guān)重要。設(shè)計(jì)得太復(fù)雜不利于打印，也會(huì)給打印完成之后的移除帶來巨大的工作量和成本。但是設(shè)計(jì)得不到位，打印就會(huì)失敗。3D打印并不像打印紙張那樣，放進(jìn)一張紙，紙就會(huì)從打印機(jī)里吐出來。由于它是一個(gè)三維立體的東西，它需要先打印在一個(gè)底座上才行，而底座和這個(gè)物件之間，就需要一個(gè)支撐。竇娟說起3D打印的設(shè)計(jì)支撐，還是帶著一些小小的自豪。
從年初到現(xiàn)在，這個(gè)項(xiàng)目組已經(jīng)進(jìn)行了6次“設(shè)計(jì)試驗(yàn)”。每一次的試驗(yàn)從計(jì)劃、設(shè)計(jì)、打印、移除支撐到測(cè)量和測(cè)試功能，大約10天左右的時(shí)間。突破，發(fā)生在第2次試驗(yàn)之后。竇娟和郭鑫分別從支撐設(shè)計(jì)和3D打印機(jī)的參數(shù)和功能設(shè)置上找到了可行的解決辦法，并且在第3次試驗(yàn)開始嘗試不同的組合，以期找到最完美的“配方”，攻克難關(guān)。
項(xiàng)目組認(rèn)為，熱交換器是機(jī)械元件產(chǎn)品組合中的重要元件之一。傳統(tǒng)制造工藝使這種產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和打樣需要投入很高的成本，更換翅片設(shè)計(jì)更是需要在模具上耗費(fèi)相當(dāng)?shù)某杀尽Ｒ环N翅片的工期從生產(chǎn)到裝配，短則半年，長則一年。更重要的是傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)熱交換器的成品率相當(dāng)?shù)停挥?/span>85%。“因此，我們十分期待有朝一日，這樣的產(chǎn)品能夠通過3D打印技術(shù)來生產(chǎn)。”在項(xiàng)目組看來，與3D打印機(jī)“斗智斗勇”并不是一件痛苦的事情，相反，他們覺得每一次的嘗試，都往目標(biāo)邁進(jìn)了一步。
專家指出，航空航天作為3D打印技術(shù)的首要應(yīng)用領(lǐng)域，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，但是這絕不是意味著金屬3D打印是無所不能的，在實(shí)際生產(chǎn)中，其技術(shù)應(yīng)用還有很多亟待決絕的問題。目前3D打印還無法適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)，滿足不了高精度需求，無法實(shí)現(xiàn)高效率制造等。而且，制約3D打印發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素就是其設(shè)備成本的居高不下。但隨著材料技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)以及激光技術(shù)的不斷發(fā)展，制造成本將會(huì)不斷降低，3D打印將會(huì)在制造領(lǐng)域綻放光芒。
