當(dāng)記者拿出一張“3D打印玩偶”的照片給維爾·貝克看的時(shí)候，他帶著一個(gè)工程師的嚴(yán)謹(jǐn)和認(rèn)真微笑著說：“It’s different（它們是不同的）。”作為霍尼韋爾航空航天集團(tuán)先進(jìn)科技的首席工程師，維爾·貝克一直專注于3D打印技術(shù)在航空制造技術(shù)應(yīng)用方面的研究。

事實(shí)上，當(dāng)“3D打印”已經(jīng)成為一個(gè)熱詞，流行于人們?nèi)粘Ｉ畹暮芏囝I(lǐng)域時(shí)，對(duì)于其在航空制造技術(shù)上的應(yīng)用，業(yè)內(nèi)人士卻始終慎之又慎。

它的技術(shù)門檻之高以及精密和復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人們的想象。維爾·貝克告訴記者，目前霍尼韋爾航空航天集團(tuán)通過3D打印技術(shù)制造的民機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零件并沒有真正投入現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)，仍在測(cè)試階段。

根據(jù)業(yè)內(nèi)媒體的報(bào)道，目前，也只有GE正嘗試將選擇性激光熔化技術(shù)（3D打印技術(shù)的一種）應(yīng)用于其下一代Leap發(fā)動(dòng)機(jī)供油噴嘴的批量化制造。

“但10年之后，3D打印技術(shù)或許會(huì)改變整個(gè)航空制造業(yè)。”維爾·貝克說。

3D打印滲入航空業(yè)

事實(shí)上，3D打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，實(shí)際上是利用光固化和紙層疊等技術(shù)的最新快速成型裝置。它與普通打印工作原理基本相同，打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。

這種技術(shù)在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、工程和施工（AEC）、汽車，航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、槍支以及其他領(lǐng)域都有所應(yīng)用。對(duì)于航空航天領(lǐng)域來說，3D打印仍然是一項(xiàng)非常前沿的制造技術(shù)，近幾年，全球領(lǐng)先的航空制造企業(yè)開始逐漸涉足這一技術(shù)領(lǐng)域的研究。

維爾·貝克告訴記者，霍尼韋爾航空航天集團(tuán)是從2010年進(jìn)入該領(lǐng)域的，已經(jīng)擁有了4年的研究經(jīng)驗(yàn)。目前，霍尼韋爾已經(jīng)成功地將利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)出的單晶鑄件裝配在了其TFE731-60型發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片上，這款發(fā)動(dòng)機(jī)在為達(dá)索旗下的獵鷹900公務(wù)機(jī)提供動(dòng)力。

現(xiàn)在，與高校合作成為了制造商進(jìn)行3D打印技術(shù)研究的共同模式?；裟犴f爾航空航天集團(tuán)就與美國(guó)的4所大學(xué)簽署了秘密的合作協(xié)議。當(dāng)然，包括波音、空客等民機(jī)整機(jī)制造商也都選擇了與大學(xué)進(jìn)行合作，進(jìn)行3D打印技術(shù)的研究。

“總體來說，目前航空業(yè)界都正在對(duì)3D打印技術(shù)直接制造的金屬零件，按照飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行全面的測(cè)試和驗(yàn)證，以及針對(duì)3D打印技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)方的優(yōu)化。”西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任林鑫告訴記者。

值得一提的是，中國(guó)也已參與到該技術(shù)的研究中來。今年3月14日，空客與林鑫所在的西北工業(yè)大學(xué)在西安簽署了合作協(xié)議，共同探索3D打印技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用。該項(xiàng)目重點(diǎn)研究激光3D打印技術(shù)在飛機(jī)部件制造中一次打印成型、減少加工余量以及材料在成型過程中變形等難題。西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室將承擔(dān)樣件制造，空客將承擔(dān)樣件的測(cè)量和評(píng)估工作。

滿足航空制造技術(shù)未來需求

在霍尼韋爾航空航天集團(tuán)組織的國(guó)際媒體日上，一些通過3D打印技術(shù)生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)零件樣品被維爾·貝克帶到了展示現(xiàn)場(chǎng)，它們看上去并不起眼，很多甚至不足一枚硬幣的大小。

據(jù)了解，霍尼韋爾航空航天集團(tuán)在3D打印技術(shù)領(lǐng)域的研究包括直接金屬激光燒結(jié)、電子束熔化成型、疊層實(shí)體制造技術(shù)等。

業(yè)內(nèi)人士公認(rèn)，3D打印技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的諸多優(yōu)勢(shì)，尤其是在設(shè)計(jì)自主性和環(huán)保方面的優(yōu)勢(shì)，滿足了航空業(yè)可持續(xù)發(fā)展的最終目標(biāo)。

據(jù)維爾·貝克介紹，這些技術(shù)可以幫助航空制造商減少工裝模具的使用，在生產(chǎn)少量樣件時(shí)，設(shè)計(jì)也可以更加靈活，這使得生產(chǎn)零部件的固定投入成本大幅下降。例如，用3D打印技術(shù)生產(chǎn)的燃燒室保護(hù)罩就可以降低40%的成本。

此外，通過該技術(shù)，還可以減輕零件的重量，這直接關(guān)系到飛機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。過去，對(duì)于大型復(fù)雜構(gòu)件，制造商用傳統(tǒng)工藝無法完成，就拆為幾個(gè)件做，然后再進(jìn)行組合。如今3D打印可以實(shí)現(xiàn)零部件一次成型，這不僅增加了零部件的強(qiáng)度，同時(shí)也減輕了零部件的重量。

維爾·貝克還告訴記者，這些好處綜合起來，可以讓研發(fā)過程更加高效。“過去通過傳統(tǒng)工藝研制渦輪葉片的樣件需要3年的時(shí)間，而如果采用了3D打印技術(shù)則僅需短短9周，與過去相比，為整個(gè)供應(yīng)鏈節(jié)約了70%的時(shí)間”。

同時(shí)，空客也將3D打印技術(shù)作為飛機(jī)備件解決方案的一部分。記者從空客了解到，站在整機(jī)制造商的角度來看，3D打印技術(shù)是用來制造目前已經(jīng)停產(chǎn)，但是仍然有市場(chǎng)需求的飛機(jī)零部件的最具成本效益的理想技術(shù)。采用3D打印技術(shù)進(jìn)行飛機(jī)零部件制造，將大大降低制造、維修以及運(yùn)營(yíng)的成本，并更好地保護(hù)環(huán)境。

確保技術(shù)成熟可靠

盡管技術(shù)門檻非常高，但是，如今3D打印在航空制造業(yè)的研究已經(jīng)開始由最初的實(shí)驗(yàn)室階段逐步向?qū)嶋H使用階段過渡。“但量產(chǎn)時(shí)的一致性和穩(wěn)定性仍有待進(jìn)一步提升。”林鑫說。

不久前，有報(bào)道稱GE航空與斯奈克瑪合作，采用選區(qū)激光熔化技術(shù)已經(jīng)開始生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴，并準(zhǔn)備最晚在2016年開始全速生產(chǎn)，以每臺(tái)LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)需要10個(gè)~20個(gè)噴油嘴計(jì)算，GE每年將需要制造約25000個(gè)噴油嘴。林鑫告訴記者：“GE這個(gè)噴油嘴原來是采用十幾個(gè)零件整體焊接而成，采用3D打印技術(shù)后，GE發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)周期顯著縮短，制造成本顯著降低，而且可靠性顯著提高。”

與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手GE更為積極的態(tài)度相比，霍尼韋爾航空航天集團(tuán)對(duì)該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用則顯得異常審慎。目前，霍尼韋爾航空航天集團(tuán)通過3D打印生產(chǎn)的零部件仍然只是用于適航取證的測(cè)試件，并未投入實(shí)際生產(chǎn)中。

維爾·貝克還告訴記者，事實(shí)上，在航空制造領(lǐng)域，短時(shí)間內(nèi)，3D打印技術(shù)還無法完全替代傳統(tǒng)的制造工藝。3D打印用于大規(guī)模量產(chǎn)至少要在10年之后。“我們希望從風(fēng)險(xiǎn)最低的、小的零部件開始，逐步推進(jìn)，并以最安全的方式進(jìn)入到生產(chǎn)階段”。

空客也表達(dá)了相同的觀點(diǎn)，對(duì)于新技術(shù)的應(yīng)用，他們提倡循序漸進(jìn)地開發(fā)和使用，無論是原料、工藝還是系統(tǒng)方面，都要經(jīng)過嚴(yán)格的驗(yàn)證，在被確認(rèn)為是成熟的且具有長(zhǎng)期利用價(jià)值后才會(huì)投入應(yīng)用。

“其實(shí)，技術(shù)上已經(jīng)沒有問題了，但我們會(huì)更加謹(jǐn)慎，必須一遍又一遍地去測(cè)試，因?yàn)槲覀冃枰_保萬無一失。” 維爾·貝克說。

3D打印將為航空制造業(yè)帶來哪些變革？

隨著3D打印技術(shù)逐步向?qū)嶋H使用階段過渡，它將為航空創(chuàng)造業(yè)帶來哪些變革呢？

第一，加速新型航空航天器的研發(fā)。金屬3D打印高性能增材制造技術(shù)擺脫了模具制造這一顯著延長(zhǎng)研發(fā)時(shí)間的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，兼顧高精度、高性能、高柔性，可以快速制造結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的金屬零件，為先進(jìn)航空航天器的快速研發(fā)提供了有力的技術(shù)手段。

第二，顯著減輕結(jié)構(gòu)重量。減輕結(jié)構(gòu)重量是航空航天器最重要的技術(shù)需求，傳統(tǒng)制造技術(shù)已經(jīng)被發(fā)揮到接近極限，難以再有更大的作為。而金屬3D打印高性能增材制造技術(shù)則可以在獲得同樣性能或更高性能的前提下，通過最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來顯著減輕金屬結(jié)構(gòu)件的重量。

第三，顯著節(jié)約昂貴的戰(zhàn)略金屬材料。航空航天器由于對(duì)高性能的需求，需要大量使用鈦合金和鎳基超合金等昂貴的高性能、難加工的金屬材料。但很多零件的材料利用率非常低，一般低10%，有時(shí)甚至于僅為2％~5％。大量昂貴的金屬材料變成了難以再利用的廢屑，同時(shí)伴隨著極大的機(jī)械加工量。作為一種高性能近凈成型技術(shù)，金屬3D打印高性能增材制造技術(shù)可以把高性能金屬零件制造的材料利用率提高到60％~95%，甚至更高，同時(shí)也就顯著減少了機(jī)械加工量。

第四，制造一些過去無法實(shí)現(xiàn)的功能結(jié)構(gòu)，包括：最合理的應(yīng)力分布結(jié)構(gòu)；通過最合理的復(fù)雜內(nèi)流道結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)最理想的溫度控制手段；通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料分布實(shí)現(xiàn)振動(dòng)頻率特征的調(diào)控，避免危險(xiǎn)的共振效應(yīng)；通過多材料任意復(fù)合實(shí)現(xiàn)一個(gè)零件的不同部位分別滿足不同的技術(shù)需求等。

第五，通過激光組合制造技術(shù)改造提升傳統(tǒng)制造技術(shù)，使鑄造、鍛造和機(jī)械加工等傳統(tǒng)制造技術(shù)手段更好地發(fā)揮作用。激光立體成型技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)異質(zhì)材料的高性能結(jié)合，從而可以在通過鑄造、鍛造和機(jī)械加工等傳統(tǒng)技術(shù)制造出來的零件上任意添加精細(xì)結(jié)構(gòu)，并且使其具有與整體制造相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能。這就可以把增材制造技術(shù)成型復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)與傳統(tǒng)制造技術(shù)高效率、低成本的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來，形成最佳的制造策略。