厚积薄发 3D打印翅膀力助战鹰翱翔蓝天

【中关村在线办公打印频道原创】航空工业在某一方面代表着一个国家综合实力的高低。在过去几年，从被网友戏称为“丝带”“粽子”的国产第四代战机歼20首飞成功，到去年的歼15成功着陆辽宁号，很多人都诧异似乎中国的航空工业有了一个飞跃式的进步，涌现出来的战机新品非常多。那么这背后的推手是什么呢？

●一飞冲天的背后

航空工业所涉及的学科极多。我们仅以航空发动机为例，在现如今的战斗机、歼击机上，都使用航空用涡扇发动机，仅仅是进气的扇叶，无论是对形状的要求还是对强度的要求都非常高。在形状上，是不规则的曲线，需要用非传统的方法生产出来。2004年，国产太行发动机的问世，填补了我过航空工业一块重要的短板-发动机。

另外一个短板是航电与火控系统，如果航电与火控系统不过关，那么飞机在天上就相当于一个活靶子，没有战斗力。在2008珠海航展上，展示过FC-1的任务管理计算机系统WMMC，与普通的PC不同，其各个组件之间采用1773光纤作为通信手段，并且使用PowerPC处理器作为计算处理的核心。也就是说，飞机是要带着一个光纤互联的服务器/计算机来上天，帮助驾驶员进行决策并操控全套系统。

我国的国产战机，从90年代就开始进行预研发，到今天结出硕果，已经过去了十几年，这其中凝聚了多方面的努力与心血。而在民用航空领域，通过与空客的合作，国产大飞机C919也成为世人瞩目的焦点。这表明我国从军事到民用，都能自主、自制生产达到国际先进水平的飞机。

●生产上的重大突破

在刚刚过去的两会期间，国产舰载机歼15的主设计师孙聪成为了记者们围追堵截的对象。从职业的敏感度来讲，孙聪那里有他们需要的“大新闻”。因为从记者到百姓，凡是关心中国航空工业的人，都好奇怎么能够跨越3代，直接造出能够抗衡美军F/A-18“大黄蜂”水准的国产战机歼15。

如何从一张白纸到一飞冲天？孙聪透露，歼-15项目率先采用了数字化协同设计理念：三维数字化设计改变了设计流程，提高了试制效率;五级成熟度管理模式，冲破设计和制造的组织壁垒，而这与3D打印技术关系紧密。他透露，钛合金和M100钢的3D打印技术已应用于新机试制过程，主要是主承力部分。

3D打印，在各个领域已经结出硕果。这种诞生于80年代的技术，有多个分支，每个分支都是专门的技术来实现3D打印这一目的，并且所应用的材料也有所不同。在战斗机上使用的，是一种叫做金属烧结（Selected laser sintering,选择性激光烧结）的技术。

这一技术本身其实并不复杂，说白了就是在载物台上铺一层要烧结的金属材料细粉，然后用高功率激光沿着要成型的地方烧结第一层，烧结完成后在第一层上再铺一层细粉，烧结第二层，如此往复，就能烧结出一个立体的物品。这个技术已经在工业生产上使用了很多年。

但是，要应用在航空领域，就是另外一码事。

●传统的工艺

为了确保航空战斗机的强度，同时又要保障轻量化，所以要使用很多合金材质，比如金属钛的合金正好就具有这两种特性。但是钛合金很贵，每吨要150万元，但是传统的工艺，对于钛合金会产生大量的浪费，这也是为什么战斗机那么贵的原因之一。

以美军制造F22战斗机为例，在F22的身上，有54个铸造的零件，其中最大的两个是机翼与机头的连接件，分别重54与87公斤。另外一个大零件是机身背部中段的隔断。F22之所以要数亿美元一架，和这些零件采用传统工艺锻造有关。

要制造这些零件，需要使用数万吨的水压机，将钛合金的零件上先锻造成型。这几个零件是目前世界上最大的钛合金锻造件，在成型后需要进行大量的切削工作，以吨记的切削件最终剩下几十公斤。

要使用万吨水压机，不仅仅是简单的连接电源，万吨水压机的能耗也是大户，需要建设配套的发电厂。而用来锻造的模具，也要单独生产，仅开模就需要两年时间。这些工艺不但费钱费力，还浪费时间。

美军的下一代舰载机F35在首飞之后就问题不断。其中有个问题就是机身隔断的抗疲劳强度。

●3D打印的突破

我们前面说过，可以用金属烧结的办法来生产大型构建吗？3D打印不是能烧结金属吗？但是在常规尺寸能完成的事情，无论是放大还是缩小，都有可能产生新的问题。

以烧结飞机用的大型材料为例，第一个要取得突破的就是大功率激光发射技术。传统的大功率激光器不足以支撑烧结大型航空材料所需的能量，所以3D打印机身重要部件，首先要建立在大功率激光器上。

第二个要解决的问题很复杂，钛合金在高温下很活泼，容易与空气中的气体成分发生反应。怎么避免发生反应？制造一个大型的真空仓显然是不现实的。而传统焊接的惰性气体保护，在大型构建上怎么使用？这是北京航空航天大学王华明教师及其团队所取得的技术突破之一。

另外一个重大的突破，就是解决烧结出来之后的材料强度问题。王华明教授曾经在介绍的时候说过，大型的构建在烧结的时候容易出现变形、裂缝等问题，所以并不是说能烧结出大型的航天材料，就一定能生产出合格的、能上天的产品。这是王华明教授和团队攻克的第二个难关。

另外一个难关在于，烧结后，不断裂、不变形，但是烧结后的金属晶相，未必是想要的。只有烧结出需要的晶相，才能烧结出合格的产品。用烧结的激光控制晶像，这是王华明教授要克服的另外一个难题。王华明教授的成果转化为生产力的标志就是国产歼15战斗机的机身几个重要零件的制造。王华明教授曾经说过，正是3D打印技术，让国产的舰载机歼15试飞的时间提早了两年。

前后十年，多道难关，王华明教授和其团队由于对中国航空工业的卓越贡献，获得了2012年度国家科技发明一等奖。

●放飞国产客机梦想

民航大飞机是中国航空人的另外一个梦想。何时才能有国产的大飞机作为民航客机出现在天上？和战斗机一样，民航客机同样有非常多的问题。在航空工业上，一架飞机的钛合金含量，标志着这架飞机的技术程度。

除了北航，在西北工业大学凝固技术国家重点实验室，同样也有大型钛合金材料成型技术。我国的商飞919科技驾驶舱机窗，就是采用的这一技术，其跨度达到5米。但是整个技术攻坚过程却非常的艰辛。

1995年，黄卫东在科研中产生了关于快速成形技术的一个新构思：把快速原型制造的增材成形原理和同步送粉激光熔覆相结合，形成一种快速成形高性能致密金属零件的新技术，用于直接制造可以承载高强度的力学载荷的金属结构件。黄卫东注意到，当时“快速成形”=“快速原型制造”，但两者的内涵其实并不相同。增材制造作为一种快速成形原理，没有理由说它只能用于原型制造，而不能制造可以直接承载高强度力学载荷的金属结构件。

黄卫东教授的做法与纯粹的SLS还有所不同。在在高功率激光的光斑处，会有一个直径为几个毫米的加热区，这里面的合金是液态，黄教授的办法是通过一个很小的输料管，把材料的粉末投入到这个光斑里面，光斑移动，输料管伴随，这样金属材料就会逐渐的“生长”成为想要的零部件。
2000年以后，863计划、973计划、国家自然科学基金重点项目等也开始对激光立体成形立项支持。2001年，黄卫东团队关于“高性能复杂金属零件的激光快速成形技术”的研究项目申请获得国家863计划的支持。

2011年，中国商飞注意到了西北工大黄教授的成果，正式与其展开合作，希望西北工大进行合作，生产大飞机的关键零部件。西北工大给予了大力的支持，经过一年24小时三班倒的艰苦奋战，用于商用大飞机的钛合金翼缘条结合成型。并与2012年通过了商飞的五项测试，商飞认为，其性能“略好于锻造件”，要知道，在此之前，金属的处理上，性能最好的就是锻造件。黄教授的成果，解决了商飞的难题，加速了国产商飞C919上天的进程。

●中国领先世界的技术

我们前面说过，美国的战斗机就受制于钛合金无法焊接，会造成严重的腐蚀问题而影响强度。所以只能锻造。但是锻造对水压机要求很高。常见的3万吨水压机，只能锻造0.8平米的零件，即便是世界最大的8万吨水压机，也只能锻造不超过4.5平米的零件，这对于飞机这种大家伙来说，显然显得小了。

并且，采用锻造技术的美国制造的F22猛禽战斗机，前不久发现机身上的大型锻造件强度出了问题，可能达不到设计的飞行小时，洛克希德马丁公司甚至还起诉了供应商美国铝业，要求进行赔偿。

但是如果是3D打印，结果会大不相同。以制造大型复杂结构件为例，3D打印一个，对原材料的利用率高达90%，而锻造则利用率只有5%。同样一个一吨的钛合金材料零件，如果3D打印出来，成本130万元，而锻造的成本是2500万。

另外在生产时间和周期上，3D打印也大有前途。传统的锻造，从设计好到开模具锻造成型，需要数年时间，而3D打印技术则随时可以制造。从目前中国掌握的技术来看，大型构建，大约每两周就能生产出来一个，而这还是只有一个生产设备的前提下，增加设备，完全可以满足产能上的要求。

值得骄傲的是，中国是第一个掌握了大型构建激光立体成型技术的国家，并且第一个将其应用在战斗机和民航客机上。

●全球领域的竞争

五角大楼，是全球最早想到使用烧结金属粉末或是金属细丝来进行成型技术的地方，这个想法诞生于80年代，但是直到90年代才向社会公开。

美国的飞机上，很早就应用了3D打印制造的零件。但是这些都是小零件，而大零件一直受制于技术，无法解决开裂、变形等难题。作为供应商，Aeromet公司就因为无法生产出合格的大型构建而倒闭。这应该给很多积极投身3D打印事业的创业者敲响一个警钟：没有过硬的核心技术和专利，不要贸然就从事这个目前炒作得很火热的项目。

但江山代有才人出。最近，美国一家名为Sciaky公司，采用了突破性的技术，采用电子束进行制造，其最大尺寸可达5.8mX1.2mX1.2米，虽然长度上领先，但是在整体的体积上，依旧不如北航王华明教授的4mX3mX2m。但Sciaky公司的优势是产能比较高，目前可以实现每小时烧结15-40磅的材料，而竞争的技术烧结速度大约是每小时5磅。

美国空军和军工巨头洛克希德·马丁公司立即宣布，与Sciaky加强合作，用该公司生产的襟副翼翼梁装备正在生产的F-35战斗机。据估计，如果3000多架战机都使用这种技术制造零部件，不仅大大提高“难产”的F-35战机的部署速度，而且还能节省数十亿美元成本。目前，使用3D打印钛合金零件的F-35已经进行了试飞。

航天技术，说到底是材料科学等科学技术的延伸，只有在核心技术取得突破前提下，才能有进一步的发展。近两年，我国从军用飞机不断有新型号战机上天到国产大飞机C919的2014年试飞，其背后正是激光成型技术取得的重大突破，解决了飞机核心零件制造的难题。我们相信，以后会有更多领域的突破，提升我们的国防实力和民航飞机制造的话语权。