這幾年，中國軍用航空業(yè)一直都處于“暴兵”狀態(tài)，從2011年底開始，殲-20、運-20、直-20、彩虹-4、翼龍-2相繼亮相，令人目不暇接。

  而且，大多數(shù)項目從立項到首飛的周期都在10年以內，其中運-20在2007年立項，到2013年即實現(xiàn)首飛，創(chuàng)造了一個奇跡。

  國產飛機的大批量研發(fā)和制造，固然有現(xiàn)代化數(shù)字設計制造手段進步的因素在里面，但是更離不開一件神器，那就是中國獨創(chuàng)的大型激光3D打印機。

  作為一件神器，大型激光3D打印機到底“神”在哪里，又是如何“打印”戰(zhàn)機機身框架的呢？讀完這篇文章 ，你就會明白。

  （一）傳統(tǒng)制造工藝成本高，不是鍛造機身框架的最佳選擇

  現(xiàn)代化的戰(zhàn)斗機由于需要進行高機動飛行，對機體承力機構的疲勞強度要求極高，而且要求結構重量必須盡量得輕。

  從理論上講，機身框架結構的整體性越好，減重效果越明顯，疲勞強度越高，通俗地說，就是要求機身框架整體模鍛成型，盡量減少連接部分。

  因此，從第三代戰(zhàn)斗機開始，很多國家都應用鈦合金模鍛件做機身框架。

  下面就是美軍用于F-15戰(zhàn)斗機發(fā)動機段機身隔框的鈦合金模鍛件，左圖為鑄造毛坯，右圖是鑄造毛坯通過4.5萬噸模鍛壓機鍛造后的模鍛件。

  鈦合金具有強度高、塑性小的特點，對模鍛壓機的壓力要求非常高，鍛造手掌大小（150平方厘米左右）的鈦合金件就需要壓機噸位為1000噸的模鍛壓機。

  美國在利用4.5萬噸模鍛液壓機和先進潤滑技術（可以降低模鍛變形抗力）的情況下，也只能把F-15戰(zhàn)斗機發(fā)動機機身隔框分兩半鍛造，然后進行機加工后通過電子束焊接成一個整體。

  而且，這其中還涉及到大型鍛造模具的設計和制造，周期一般在1年左右，成本在幾千萬人民幣。

  大型鈦合金鍛造模具需要很多的經(jīng)驗積累，一次性成功的概率很低，一旦失敗重新開模，不僅浪費大量的金錢，還要浪費1年時間。

  此外，鍛造毛坯還需要進行數(shù)控機床加工，整個過程90%以上的材料要被切削掉，數(shù)控加工的周期一般都需要一個月以上，而最終的成品重量只有幾百公斤，價比黃金，代價非常高昂。

  可以看到，采用傳統(tǒng)制造工藝，即使一切順利的情況下，單單是一個機身隔框的制造周期都要接近兩年，更不要說成本問題了。

  那么，有沒有什么方法可以降低高昂的成本、減少加工制造周期，直接造出一個完整的機身框架出來呢？

  隨著激光3D打印技術的發(fā)展，這個問題逐漸有了答案。

  （二）讓零件一層層“長”出來，激光3D打印技術省去開模周期和成本

  3D打印，又叫增材制造（Additive manufacturing），是一種以數(shù)字模型文件為基礎，通過擠壓、燒結、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，制造出實體物品的制造技術。

  相對于對原材料進行去除、切削、組裝的傳統(tǒng)加工模式，這種技術在極小批量復雜結構零件制造領域擁有巨大的成本、周期和性能優(yōu)勢。

  目前市場上應用最廣的是選擇性激光燒結（SLM）激光3D打印，其步驟如下：

  1、導入需要打印零件的數(shù)字模型并對模型進行分層，將相關數(shù)據(jù)導入到3D打印機；

  2、打印室充入保護性氣體，防止打印過程中高溫金屬接觸空氣氧化形成缺陷；

  3、根據(jù)截面數(shù)據(jù)，打印機控制激光在鋪設好的粉末上方選擇性地對粉末進行掃描照射，金屬粉末加熱到完全熔化后成型；

  4、工作臺降低一個單位的高度，一層新的粉末通過送粉結構鋪撒在已成型的當前層之上，設備調入新一層截面的數(shù)據(jù)進行激光熔化，與前一層截面粘結，此過程逐層循環(huán)直至整個物體成型。

  可以看出，激光3D打印不需要模具，而是直接通過高能激光熔融金屬粉末讓零件一層層地“長”出來，可以省去開模的成本和周期。

  在打印小型零件時，激光3D打印的精度最高可以達到0.1毫米，打印大型零件的精度一般也在毫米級別，這大大超越了模鍛件的精度，后續(xù)機加工的余量可以減少90%以上，極大地減少了機加工的成本和周期。

  既然激光3D打印的優(yōu)勢如此明顯，那么西方發(fā)達國家為什么不用來制造鈦合金機身框架呢？

  這是因為，目前市場上的激光3D打印機能夠打印的零件最大尺寸一般不超過的發(fā)達國家1000 X 800毫米，但是戰(zhàn)斗機鈦合金機身框架的投影面積一般都超過了5平方米，而且有越來越大型化的趨勢，在打印過程中，鈦合金變形、斷裂等技術難題也越來越凸顯，像美國這樣的發(fā)達國家沒有攻克這些技術難關，不能生產滿足要求的大型激光3D打印機。

  與之相對的是，中國的鈦合金3D打印技術后來居上，逐漸突破了種種技術難關，成為目前世界上唯一掌握激光成形鈦合金大型主承力構件制造技術并且可以裝機應用的國家。

  （三）實現(xiàn)激光3D打印機大型化，需要突破哪些技術難關？

  激光3D打印機大型化以后會面臨很多技術難題，由北京航空航天大學王華明院士主持研發(fā)的激光3D打印機經(jīng)過不斷的迭代優(yōu)化，目前最大打印面積已經(jīng)達到了15平方米，更是要突破很多技術難題。

  首先要突破的技術是送粉裝置問題。

  小型激光3D打印機一般采用滾筒式送粉裝置，就是不管打印的零件大小形狀如何，在整個打印室里面都均勻鋪上一層粉。

  打印面積大幅度增加后，如果還采用滾筒式送粉裝置的話，滾筒尺寸會變得非常巨大，難以進行控制。

  而且，在上文我們已經(jīng)介紹過，小型SLM激光3D打印機送粉裝置、氣體保護以及激光掃描控制裝置是分開布置的，而在大型激光3D打印機上面，這種結構就行不通了。

  小型激光3D打印機可以通過在密封的空間里面填充保護性氣體來防止零件氧化，但是大型的密封空間實現(xiàn)起來非常困難。中國最新一代大型激光3D打印機的打印面積已經(jīng)達到15平方米，充氣代價比較高昂。

  另外，小型激光3D打印機激光器一般是固定的，通過控制反射鏡的角度來實現(xiàn)激光束的掃描，當打印面積大幅度增加后，會因為激光束入射角度變化太大導致能量分布不均勻，影響不同區(qū)域的打印質量。

  為了解決這些問題，中國科學家發(fā)明了同軸送粉裝置，將送粉裝置、保護性氣體噴射裝置和高能激光器全部集成在一個主軸上面。

  打印機工作時，送粉裝置把粉末堆積在需要打印的區(qū)域，高能激光器掃描燒結的同時，保護性氣體直接覆蓋在打印區(qū)域上，可以防止打印區(qū)域被氧化。

  （同軸送粉裝置示意圖）

  其次要突破的是工藝難題。

  激光3D打印本質上是一個材料淬火的過程，薄薄的一層粉末在極短的時間內被加熱到熔融狀態(tài)，然后又急速冷卻，溫度變化梯度可達2000K/秒。

  劇烈的溫度變化使得激光3D打印的零件具備優(yōu)良的性能，同時內部熱應力巨大。打印小型零件時還不是很明顯，隨著打印零件的大型化，零件內部的熱應力呈幾何倍數(shù)增長，甚至在打印過程中會發(fā)生斷裂。

  另外，大型零件打印時間非常長，通常需要連續(xù)打印幾天時間，打印過程中如果產生氣泡、夾雜等缺陷，即使非常微小，也會使得零件的性能急劇下降。

  美國正是因為對控制打印缺陷比較悲觀，所以才放緩了對激光3D打印件在航空領域的應用研發(fā)。

  然而對中國科學家來說，突破大型激光3D打印技術是華山一條路，突破不了的話，很多重大項目的進度就要受影響。

  通過合理規(guī)劃打印路徑平衡熱應力的影響，改進同軸送粉裝置，探索合理的打印參數(shù)、送粉量和送粉速度，中國科學家最終攻克了這個難題。

  結語

  激光3D打印技術是近些年來發(fā)展比較迅速的技術之一，雖然中國在1999年才開始金屬零件的激光快速成形技術研究，但發(fā)展速度很快，并逐漸突破各種技術難關，使大型整體結構件的3D打印成為可能。

  目前，中國激光3D打印技術在航空領域的應用已經(jīng)走在了世界前列，越來越多的戰(zhàn)機開始使用國產的3D打印部件，相信隨著相關技術的成熟，中國的戰(zhàn)機研發(fā)在未來一定會迎來一個井噴期。

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