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3D打印技术广泛应用于航空业还需5年~10年

时间:2014-06-11 13:59    来源: 3D打印技术     作者: www.3dpxx.com
今年3月14日,空客与西北工业大学在西安签署合作协议,共同探索3D打印技术在航空领域的应用。随着该技术越来越受到业界的重视,记者就目前3D打印技术在全球航空业的研发应用情况、遇到的问题以及未来的前景采访了西北工业大学凝固技术国家重点实验室副主任林鑫。

记者:近几年,空客、波音、GE、霍尼韦尔等一些航空制造企业都已经开始了对3D打印技术的研究。目前,整个航空业界在3D技术方面的研究处于什么样的阶段?已经有了哪些成果?

林鑫:目前,GE、霍尼韦尔、罗罗和MTU仍然围绕激光立体成型、选区激光熔化、电子束选区熔化技术,在测试和验证采用这些方法进行3D打印的零件在航空发动机上的应用可行性。根据报道,只有GE将选择性激光熔化技术应用于其下一代 Leap发动机生产喷油嘴的批量化制造。

至于其他航空零件,国内外目前也都在对采用各种方式制造的3D打印零件进行测试,如激光立体成型、选区激光熔化、电子束选区熔化技术、电子束送丝沉积、电弧增材制造等。目前已有相关激光立体成型和电弧增材制造技术在飞机构件应用的报道,国内目前已经实现激光立体成型的飞机构件在军用飞机上的应用。

除了采用3D打印技术直接制造零件,采用3D打印技术进行飞机及航空发动机零件的成型修复再制造,也是目前一个重要的应用领域,这方面国内外都已有相关的成功案例。

记者:就目前来看,3D打印技术最适合应用于飞机的哪些部件?测试结果表现如何?未来是否有可能大规模应用于飞机的主要部件?

林鑫:不同的3D打印技术应该都有其适应的领域。目前,对于激光立体成型、电子束送丝沉积主要是用来制造一些性能要求高、结构复杂、传统加工余量大的构件,如缘条、接头、滑轨、机匣、叶片等框,粱,筒或异形结构零件;选区激光熔化、电子束选取熔化适合做一些中小型、原来需要焊接连接的整体构件,或一些性能要求较高同时结构复杂的构件,如油嘴、多通管路、格栅,以及一些中小型复杂构件;电弧增材制造适合做一些性能要求较高,同时存在适当加工余量的构件。另外,还可以将激光立体成型等以材料送进为主要特征的3D打印增材制造技术与传统铸、锻、机械加工或电解加工等建材加工技术结合,实现一些局部具有精细结构的大型构件的低成本快速制造。

目前最为成熟的应该还是3D打印钛合金构件。若能根据3D打印的技术特点进行优化设计,针对某些具体的零件结构特征,3D打印是有可能在飞机主要部件上进行大规模应用的。

记者:目前,将3D打印技术由研究阶段推向生产阶段,在取证方面有哪些最主要的技术瓶颈需要克服?

林鑫:在取证方面,主要是如何保证批量生产时性能的一致性和稳定性。目前3D打印所制备的金属材料在强度方面一致性较好,但是在塑性和疲劳性能以及相关指标的稳定性方面和锻件还有一定差距。这一方面有赖于3D打印全过程相关基础理论研究的进一步深入。另一方面,也有赖于3D打印相关装备对3D打印过程控制的精细化。

记者:如何解决该新技术应用的高风险和高成本问题?

林鑫:任何新技术在其初期发展阶段都会面临高成本的问题。阻碍金属3D打印制造更广泛应用的一个最重要的因素就是其制造成本还不够令人满意,特别是对于形状不是十分复杂的零件,其制造成本还难以同传统制造技术相抗衡。由于工业应用的成熟性,迄今大型钛合金结构件主要采用大功率二氧化碳激光器来成型。但二氧化碳激光器的能量利用率很低,还需要昂贵的氦气作为工作气体,这是激光金属3D打印制造成本较高的原因之一。

此外,作为一项发展时间不长的新技术,其工艺成熟性还远不能同传统加工技术相比,这也是导致高成本的因素之一。采用更先进的半导体激光器有可能使得激光立体成型的能量消耗大幅度降低,运行稳定性也会提高,是使这项新技术显著降低成本的一个重要努力方向。

 

高成本的另一个原因是这项新技术还比较多地依赖高素质的技术人才,解决这个问题的方向是发展更成熟规范的工艺,以及更成熟稳定和高智能化的装备。除此之外,3D打印所用材料,如粉末和丝材,较传统制造所采用的材料,成本较高,解决这个问题的方法同样是发展更为成熟和成本更低的粉末和丝材制造技术。

记者:您预计还需要多少年,3D打印技术才可能广泛应用于航空业?

林鑫:按照目前金属3D打印技术的成熟度,要想广泛应用于航空业,特别是民用航空业,我们和空客认为,应该至少还需要5年~10年的时间,但是,针对一些航空构件的技术要求,近期也有可能在某些航空制造或修复再制造领域进行一定规模的应用。

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