航天科工集团第三研究院金亮：3D打印轻量化

航天科工集团第三研究院第三总体设计部结构强度与动力研究室主任、型号总师助理金亮进行主题演讲。

    金亮：由于时间紧张，我简单介绍一下。
    想跟大家分享五部分，因为在座很多专家都是制造方面的专家，因为我们从事的主要是设计工作，所以我会把相关的增材制造应用情况，包括我们觉得对轻量化结构的优化，包括优化的能力和软件，以及轻量化结构对于增材制造的需求，以及从设计到制造一体化的想法，把这些方面向大家沟通一下。
    刚才很多专家都提到了，增材制造到底在现在整个制造中是一个什么情况？我自己理解，现在的增材制造有点像最开始使用的复合材料情况，最开始使用复合材料想法是所谓的等待设计，就是原来的零件或者原来的结构是什么样的，我拿复合材料直接把它替代了，这是一种方式。但现在我们使用复合材料的方式，相信很多单位都是从最初的整体设计开始，一直到结构设计，是全流程的去开展设备，这样有什么好处呢？你能最大限度的使用新材料或者新工艺的优势，而不仅仅是让它去适应我现有的结构，这样才能发挥出新材料、新工艺的优势。比如原来有这种情况，我换了复合材料，反而没有达到减重的效果，就是因为没有充分发挥新材料、新工艺的优势。所以后面的增材制造也有这个问题，就是在设计端怎么从最初的总体阶段就要把新工艺应用上。
    第一部分，先进轻量化结构的特点。我觉得这四点值得大家交流：一个是研制装备周期显著缩短，现在明显感觉到，所有主机所都有这种感觉，原来比如要五年、七年研制完的一个装备，尤其比较复杂的装备，现在可能在两年内就要完成，甚至有的提出来当年设计、当年制造、当年实验。第二个是一体化程度日益提高，很多分散性的或者是零散的东西，后面要一体化，这个一体化不仅仅是结构层面的一体化。另外是功能和结构一体化，结构承载的同时要完成其他的功能，防热功能、流道功能等等。第三是多功能化需求增加。最后一个是重复使用，重复使用工作很多单位也在做，包括刚才GE专家也提了，实际上航空上已经用了，为什么我还要提重复使用？实际上针对某些材料或者某几种材料的环境下做了有限的重复使用工作，但是有些材料，尤其是从我们角度来说要大量使用的，比如像空间飞行需要的更广泛的一些材料，重复使用工作做的非常少。（南极熊3D打印网编辑发布。）
    前面说的特点细化一下有这么多：第一是材料种类翻多，比如铝合金、镁合金、高温合金等等，另外是结构复杂多样，构型也很多，一体化程度高。第三个是质量需求，我们一般评价现在的结构，像飞机也好、结构也好，都用质量系数。另外是小批量、多品种、持续优化改进。刚才说了，研制周期的缩短，一方面是因为竞争的关系，另外是需求的增加，需要我们在很短时间内完成设计、生产，同时这种需求增加之后，出现了很多小批量的需求，不断优化改进，我的设计周期缩短之后，要求产品的迭代过程特别快，这样就出现了小批量的需求。原来可能设计周期是三年、四年，全生命周期可能十年，现在缩短了以后，很短时间内你没有完全做完优化可能就要走一轮迭代，这样会出现不断在改进、优化，原来大批量生产切割成很小的一段，后面就出现了这种情况，就是很多原有的工艺可能不太适合小批量、多品种的生产。
    在这些特点的情况下我们面临的挑战。一个是刚才说的结构重，质量的问题。另外是低成本的问题。第三是制造的问题，性能和精度。第四是周期长，刚才说了，从设计到制造要求周期缩短的非常厉害，可能变成原来的20%或者10%。
    第二部分，增材制造在院里的应用情况。这里面很多图片被删掉了，但是有些图片在杨总演讲过程中有，重复的我就不讲了。
    我们做了一些工作，包括结合拓扑优化，实现结构减重。第二是对于复杂构件开展了近净成形的研究。第三是快速响应，适合于小批量柔性生产。第四产品力学性能及产品一致性优良，大多金属构件性能接近锻件力学性能。
    现在总的来说，已经在几个重点型号中应用了，好多硬件已经在应用了。提升了性能，实现了复杂结构的研制，缩短了周期。但是客观来讲，3D打印的构件虽然相比原来有比较大的增长，但是在整个结构占比来说还是小量。
    第一部分，像接头结构、舵头结构刚才杨总讲了，主要针对结构做减重，包括针对TC4材料、TC9的材料等等。另外，通过一体化设计实现设备结构和设备的集成化设计，实现了轻量化高效制备。也就是我们实现了承载结构和设备以及舵机一体化设计、一体化生产、一体化交付。一个是舱段和舵机的集成，另外是翼面，这样一方面减小了零件的数量，另外是减小了空间。另外，通过增材制造突破了复杂结构件的制备，缩短了制备周期。采用了增材制造快速制造脱落插座、流罩设计等。再一个是通过增材制造技术，突破了对于大尺寸复杂结构的整体成形制备问题。现在我们也在做更大尺寸的，后面会做到7米量级大尺寸的构件。最后一个是对于实验件和模拟件快速高效制备，现在很多主机所都在做这个工作。
    第三部分是对于优化技术的需求。主要有几方面：
    一个是质量占比，实现轻量化结构越来越重要。另外是传统的设计很难避免耦合结构。
    对于设计方法主要有几方面的需求，一个是面向多场耦合结构的优化，比如单一的环境条件、单一的载荷或者多种载荷。另外是多学科综合优化设计技术，包括结构拓扑优化设计快速评价方法与工具。实际上做设计优化的软件已经很多了，但是把3D打印放进去之后，涉及到工艺方面的做的相对少一些。针对这些问题形成一个全流程快速评价方法的工具，我觉得还是很有必要的。
    第二个是对于新的结构构型的设计，之前很多专家都提到了增材制造的优势，可以针对结构，尤其是新的构型，比如像点阵结构。但是我们用的时候也有很多问题，一个问题是它的性能表征与评价现在是空白，内部微观和宏观相结合的结构到底怎么去表征和评价，现在没有特别工程化的解决方法。第二个是清质结构功能一体化的设计方法，结构和功能结合起来以后，结构有评价方法，功能有评价，这两个结合起来怎么做？现在没有特别好的办法。第三个是结构功能梯度优化，涉及到不同结构，涉及到有梯度，在这种情况下我们怎么去优化设计。
    后面是基于增材结构优化设计技术需求，有三方面：一个是性能与功能评价，第二个是基于增材制造工艺约束，因为很多人说增材是所想即所得，想什么东西就能制造出来，实际上并不是这样的。所以它的制造还是有很多约束的，把这个约束放进去怎么进行设计？另外是针对增材制造的结构优化设计的一些规范和指南，给设计师去用，实际上大部分的设计师并不太了解这个情况，起码我们的设计师并不是太了解。
    第四是对于增材制造技术的需求。主要的需求，一个是成形工艺需求，这里头包括尺寸、精度、性能、速度，以及工艺标准、新材料的需求和低成本的需求。
    （PPT图示）这是我们做的对比，现在比较普遍用的铺粉和送粉工艺，包括尺寸，我这里掌握的不一定特别全，就是典型的尺寸、精度、性能、速度。我个人理解，铺粉工艺大型的构件后面需求有，但并不多，所以铺粉工艺更多是功能性结构，结构和功能相结合的这类结构，因为它对构件要求更多。所以这类结构适合在什么地方呢？就是在发动机上面，因为发动机对于结构和功能需求是最急迫、最集中，这种需求很多。为什么这么说呢？比如刚才说的400、500、800的设备，比如钛合金一缸粉就要几百万，我现在想不出来什么样的设计需要这个东西，我现在在脑子里没有需要这么大设备去干的件，这个成本太高了。另外是送粉，送粉这类工艺主要是制批，包括针对锻件的之批它有很大的优势，包括成本，这不是针对一类产品或者一类工艺的需求。
    再讲几个我们遇到的比较典型的件。一个是带复杂冷却槽道的大型轻质结构，这个比较适合用选型优化，但它的结构相对比较大。这种结构和功能是一体化的结构，这类结构会大量用在发动机，包括防热结构，都会用到。第二，大型进气道结构，对内表面难加工且有型面及粗糙度要求的大尺寸异型结构对于近净的需求。第三，大型框架结构，我们还是把它拆成一部分一部分的，比如若干个框和梁，主要的工艺是采用锻造之后铆接的工艺，后面用成块的3D打印，最后再利用焊接。3D打印出来的组织之后，焊接界面组织是优于锻造的组织去焊接的，3D打印出来的件更适合采用这种工艺，能够把连接件的重量省下来。第四，大型轻量化结构，这种怎么来做也是一个难题。第五，复杂的翼舵结构，里面涉及到点阵，还涉及到一种材料，比如前沿是耐高温的材料，后面是轻量化的材料，表面涂覆等等。原型机制造，包括小型构件，以及快速成形实现前期的仿真，包括一些模型。
    刚才讲的是一些典型的件，后面涉及到我们做3D打印构件缺乏的相关标准，我们现在可以参考锻件的标准，实际上有些东西还是没法儿用的，现在这个标准，包括原材料的标准、粉体的标准、制件流程的标准、产品验收标准，这当中当然不是纯的国家标准，是我们从设计一直到工艺这个过程的标准。因为现在这个方面基本上都是空白，有一些比如像原材料、验收，还是在各个厂家内部，相互之间并没有统一的标准。所以这点也对设计端造成了一些困扰，就是我到底怎么评价哪家做出来的东西是不是满足我的要求？满足要求到什么程度？实际上大家的标准都不一样，每家拿出来的东西我还得再重新做一遍。
    新材料的需求，包括陶瓷的需求，因为现在速度提高了以后，比如像空间飞行，它对于陶瓷机复合材料还是有很高需求的。当然现在国内和国外做了很多这方面的工作，但是做的工作都偏小，现在还没有达到工程化应用的程度。
    刚才很多专家说了关于尼龙材料后面怎么用，实际上我们也考虑过，尼龙材料的成本进一步降低，是可以替代很多亚声速的材料，虽然它的模量低一些，但是对于我们要求不高的大型结构材料可以做替代。还有一种是高温合金的需求，之前我们也做了高温合金的构件。
    （PPT图示）这是关于低成本的需求，我列出来了一些我了解的粉材的成本，不一定特别准确，但差不多就是这个量级的。因为铺粉和送粉对粉的要求不一样，成本也不一样，但是它最终的结果是一样的，粉的成本对于制件的成本影响还是比较大的。当然我们后面怎么去降材料的成本，是将制件成本很重要的一点。
    最后讲一下结构设计工艺一体化的需求。原来整体过程是从设计到定型之间要走一条很长的路，中间要进行很多改进设计、优化设计。我们现在要通过新的工艺，实现从设计端一下到制造端的快速发展，我们现在也在做这方面的工作，从设计端一下到制造端，可以降低设计制造周期和成本，提高协同效率。
    最后还是希望设计和工艺、制造互相促进，共同发展，相互理解，实现高效发展的目标。
    谢谢大家。