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航空航天领域为何总是钟情3D打印技术?

来源:中国机床网 时间:2016-01-20 00:00:00

    近日,为摆脱对国外火箭发射系统的依赖,美国空军向私人航天公司SpaceX与和OrbitalATK抛出了一份总价高达2.41亿美元的大合同。这两家公司将为空军研制先进的火箭发动机原型,而3D打印技术将在其中扮演关键的角色。

  过去的几年,各国军事部门和航空航天部门对于3D打印技术可谓是情有独钟,尤其是对于美国这样一个军事大国来说,用到3D打印技术的频率越来越高。比如,2014年,在其埃塞克斯号航空母舰上安装了一台金属3D打印机,而在几个星期以前,他们又分别为杜鲁门号航母和奇沙冶号航母各配备了一台3D打印设备。今年7月份,美国国防部武器供应商雷神公司对外宣称,他们已经使用了3D打印技术制作了制导武器的几乎所有组成部分,这包括3D打印的火箭发动机,用于引导和控制系统的部件,导弹本身,导弹翅片。未来,雷神公司的3D打印导弹可能就会出现在战场上。写到这里,笔者就想,3D打印为何总受到军事领域航空航天领域的青睐?一起分析一下就知道了。

  美国杜鲁门号航母

  3D打印技术作为第三次工业革命制造领域的典型代表技术,3D打印的发展时刻受到社会各界的广泛关注。尤其是航空航天制造企业,更是不惜耗费大量财力、物力加大研发力度,以确保自己的技术领先优势。

  作为工业界皇冠上的璀璨明珠,航空航天制造领域集成了一个国家所有的高精尖技术,而金属3D打印技术作为一项全新的制造技术,其在军事领域以及航空航天领域的应用优势突出,主要表现在以下几个方面:

  1.缩短新型航空航天装备的研发周期  
  航空航天技术是国防实力的象征,也是国家政治的体现形式,世界各国之间竞争异常激烈,因此,各国都想试图以更快的速度研发出更新的武器,使自己在国防领域处于不败之地。而金属3D打印技术让高性能金属零部件,尤其是高性能大构建的制造流程大为缩短。无需研发零件制造过程中使用的模具,这样就可以极大地缩短产品研发制造周期。

  2.提高材料的利用率,节约昂贵的战略材料,降低制造成本

  航空航天制造领域大都是在使用价格昂贵的战略材料,比如像钛合金、镍基高温合金等难加工的金属材料。传统制造方法对材料的使用率很低,一般不会超过2%—5%,材料的极大浪费也就意味着机械加工的程序复杂,生产时间周期长。如果是那些难以加工的技术零件,加工周期会大幅度增加,制造周期明显延长,从而造成制造成本的增加。3D打印技术只需进行少量的后续处理即可投入使用,材料的使用率达到了60%,有的甚至达到了90%以上,可以降低制造成本,节约原材料。

  3.优化零件结构,减轻重量,增加使用寿命

  对于航空航天武器装备而言,减轻重量是永恒不变的主题,不仅可以增加飞行装备在飞行过程中的灵活度,而且增加载重量,节省燃油,降低飞行成本。传统制造方法已经将零件减重发挥到了极致,但3D打印技术的应用,可以优化复杂零部件的结构,在保证性能的前提下,将复杂结构变换重新设计成简单结构,从而起到减轻重量的效果。3D打印技术通过优化零件结构,使零件的应力呈现出最合理化的分布,减少疲劳裂纹产生的危险,从而增加使用寿命。

  4.零件的修复成型

  金属3D打印技术,除用于生产制造之外,其在金属高性能零件修复方面的应用价值绝不低于其制造本身。就目前情况而言,金属3D打印技术在修复成型方面所表现出的潜力甚至是高于其制造本身。以高性能整体涡轮叶盘零件为例,当某一叶片受损,则整个涡轮叶盘将报废,直接经济损失高达百万元。

  金属3D打印技术在修复零件方面的优势非常明显

  而使用了3D打印技术以后,在受损部位进行激光立体成型,就可以恢复零件形状,且性能满足使用要求,甚至是高于基材的使用性能。由于3D打印过程中的可控性,其修复带来的负面影响很有限。

  以上是3D打印技术在航空航天领域的应用优势,其技术优势明显,但也绝不是意味着金属3D打印是无所不能的,在实际生产中,其技术应用还有很多亟待解决的问题,比如,3D打印还无法适应大规模生产,满足不了高精度需求,无法实现高效率制造等。

  而且,设备成本高居不下也是制约3D打印技术发展的一大因素,很多民用领域还无法承担起如此高昂的设备制造成本。随着材料技术、计算机以及激光技术的不断发展,制造成本将会不断降低,满足制造业对生产成本的承受能力,未来的3D打印技术一定会在制造领域绽放光芒。

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