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从C919到空客:增材制造新突破口

2014-08-25 10:46
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  增材制造技术,俗称3D打印,是利用计算机设计数据采用材料逐层堆积的方法制造实体零件的技术,其始于20世纪80年代的快速成形技术。目前,已经发展出激光烧结技术、熔融沉积成形技术、立体光刻技术、电子束熔炼技术、超声波固结技术、喷墨沉积技术等多种类型。而从严格意义上来说,喷墨沉积技术才是真正的3D打印。

  相对于传统的材料去除(切削加工)技术,增材制造采用的是材料累加的制造方法,不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序,而是利用三维设计数据在一台设备上可快速而精确地制造出任意复杂形状的零件,解决了许多过去难以制造的复杂结构零件的成形问题。而且产品结构越复杂,制造效率越显著。

  增材制造改变了通过对原材料进行切削、组装生产的加工模式,实现了随时、随地、按不同需要进行生产,一定程度上将改变以福特制造装配生产线为代表的大规模批量生产方式,将深刻影响制造业的未来,因此国外学术界认为其是“第三次工业革命”的重要标志之一。

  近年来各国在增材制造领域纷纷展开研究,而航空制造成为其重要的应用突破口之一。

  1、增材制造空客A350XWB钛合金部件

  空客集团计划在2014年年底之前交付其首架最新型宽体客机A350XWB。该机采用了许多创新技术,其中一项是采用增材制造(3D打印)技术生产的金属部件。

  空客集团认为,当今机票高昂很大一部分归因于民机的燃油费用,因此应制造更轻的飞机、配装更高效的发动机并增大载客能力。目前A350XWB已经采用了一些以增材制造技术生产的复合材料部件,该机还将成为第一种采用由增材制造技术生产的钛合金部件的民机。

  空客集团的新兴技术经理彼特·桑德(PeterSander)表示,集团的技术人员已掌握打印几何形状非常复杂的钛合金部件的技术。桑德举了两个例子来说明该技术的应用。一是燃油系统的某个部件,该部件包括两根管路,通常由10个零件焊接而成,如果采用增材制造技术,就可将管路的托架和两根管路直接一体化并一次打印出来。二是作为不再能够获得的部件的解决方案。桑德表示,空客集团的工程师需要一种已没有后续备件的座椅部件,此时使用增材制造技术就很容易实现复制。空客集团取得该部件的手工设计图,在2小时内完成了再设计,一周内就将该部件打印出来交给了备件人员。

  空客集团研究与技术主管阿克塞尔·克雷恩(AxelKrein)认为,飞机上采用增材制造技术生产的部件数量将保持增长;虽然空客在气动改进、材料、减噪等领域投入了大量资金,但从长远看,增材制造很可能是带来最大效益的领域。

  中国在增材制造领域一直处于世界领先水平,王华明教授团队的钛合金构件激光制造技术已成功生产出目前国内飞机尺寸最大、结构最为复杂的钛合金主承力关键构件,目前相关构件的综合力学结构已经达到或超过锻件相关指标。制造设备领域,王华明教授团队研发拥有的新技术的增材制造设备最大加工零件尺寸达到4米*3米*2米,目前是全球最大的激光增材制造工程化装备。

  当下应用增材制造技术主要领域就是航空航天,包括国产大飞机零部件、舰载机起落架等重要核心零部件较多使用增材制造技术。王华明教授提供的实验数据显示,采用传统锻造工艺制造重量为144千克的美国F22战斗机零件,需要的锻件重量达到2980千克,材料利用率仅为4.8%,利用率极低。而通过增材制造技术,目前已经可以实现高性能材料制备与复杂零件制造的一步完成。

  2、增材制造3米长C919飞机钛合金部件

  西北工业大学凝固技术国家重点实验室,是我国3D打印技术研发最出色的单位之一,主要发展名为“激光立体成形”的3D打印技术。该技术通过激光融化金属粉末,几乎可以“打印”任何形状的产品。其最大的特点是,使用的材料为金属,“打印”的产品具有极高的力学性能,能满足多种用途。

  “随着航空航天技术的发展,零件构造越来越复杂,力学性能要求越来越高,重量却要求越来越轻,通过传统工艺很难制造。而3D打印则可以满足这些需求。”西工大凝固技术国家重点实验室主任黄卫东说。

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