世界最大3D打印飞机钛合金部件：中国PK英国

种名为“激光立体成形(Laser Additive Manufacturing)”的3D打印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，能满足航空航天、模具、汽车、医学、齿科、工艺品等不同行业的需求。

　　3D打印技术可以追溯到1984年， Charles Hull最早开发出从数字数据打印出3D物体的技术并在2年后开发出第一台商业3D印刷机。随后在整个90年代不断完善了其基本技术和规范，并在21世纪出投入了应用。

　　钛是一种密度只有钢铁的一半，强度却远胜于绝大多数合金的材料，被广泛用于航天航空业。美国是最早开发钛合金3D打印技术的国家。1985年，美国就在国防部的主导下秘密开始了钛合金激光成形技术的研究，并在1992年公之于众。随后美国继续研发这一技术，并在2002年将激光成形的钛合金零件装上战机试验。

　　然而，因为在制造过程中钛合金变形、断裂的技术难题无法解决，美国始终无法生产高强度、大尺寸的激光成形钛合金构件。2005年，美国从事钛合金激光成型制造业务的商业公司Aeromet由于始终无法生产出性能满足主承力要求的大尺寸复杂钛合金构件，没有实现有价值的市场应用而倒闭。美国的其他国家实验室也无法攻克这一难题，目前只能进行小尺寸钛合金部件的打印和钛合金零件表面修复。

　　一、3D技术在航空领域大显身手

　　两年前，一架名为“SULSA”的无人驾驶飞机横空出世震惊了世界。“SULSA”由英国南安普敦大学的两位年轻工程师设计和制造，除了驱动用的马达，包括机翼、整体控制面和舱门在内的所有部件都是在2天时间里“打印”组装出来的。

　　也就是在短短两年时间里，3D打印技术已运用于军事和航空航天领域，造价高昂的战斗机、舰载机等也都能通过“打印出炉”了。目前我国已经具备了使用激光成形超过12平方米复杂钛合金构件的技术和能力，并在航空科研项目的设计试制中投入使用。

　　1、生产效率是传统的3倍

　　由于抓住了“投入产出比”的脉搏，3D打印技术被英国《经济学人》杂志预测为“将推动新一轮工业革命的来临”。这一具有数字化、智能化等特点的先进“复制”制造技术在民用化的同时，也悄然成为国防和军事工业的“新贵”。

　　在国防大学军事后勤与军事科技装备教研部教授李大光看来，3D打印技术可以减轻后勤保障压力。就目前来说，使用相同数量的耗材制造零件，3D打印机的生产效率是传统方法的3倍。如果在战场上有一台3D打印机，就可以及时生产出战场上消耗的武器装备和补给物资，这将大大减轻后方生产和后勤保障的压力。

　　随着“制空权”对于现代战争的意义越来越重大，各国在积极研发新一代战机的同时，3D打印技术也逐渐被吸纳运用其中。

　　上世纪八九十年代，要研发新一代战斗机至少要花10—20年的时间。美国F-15战斗机从1966年计划研发到首飞就耗时6年，F-22则花了16年；俄罗斯的苏-27耗时10年，苏-30也花了6年。

　　在传统的战斗机制造流程当中，飞机的3D模型设计好后，需要进行长期的投入来制造水压成型设备，而使用3D打印这种增材制造技术后，零件的成型速度、应用速度得以大幅度提高。

　　李大光表示，3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件。如果借助3D打印技术及其他信息技术，最少只需3年时间就能研制出一款新战斗机。
2、钛合金3D打印用于新机

　　在3D打印技术中，飞机钛合金大型整体关键构件激光成形技术是高端发展形势。作为最早开发钛合金3D打印技术的国家，1985年，美国就在五角大楼的主导下秘密开启了钛合金激光成形技术的研究，并在1992年公之于众。随后美国继续研发这一技术，在2002年将激光成形的钛合金零件装上战机进行试验。

　　今年1月14日，美国著名的电子束、等离子弧及电阻焊接设备制造商Sciaky公司宣布，他们已经成功掌握了使用电子束进行钛合金3D打印的制造技术。这项技术将被用于生产美国第五代隐形战斗机F-35的多个零件。

　　李大光表示，传统的武器装备生产主要是做“减”法。原材料通过切割、磨削、腐蚀、熔融等工序，除去多余部分形成零部件，然后被拼装、焊接成产品。这一过程中，将有90%的原材料被浪费掉。3D打印技术除了能够提升武器装备的研发速度，还能大幅降低武器装备的造价成本。

　　作为全世界最贵最精密的战机，美国F-35联合攻击战机每架售价至少1.5亿美元。相较于传统制造方式，3D新技术制造的产品成本更低、寿命也更长。如果3000多架战机都使用这种技术制造部件，将可以节省数十亿美元的成本。

　　虽然中国钛合金激光成形技术起步晚，但现在却具备了使用激光成形超过12平方米的复杂钛合金构件的技术和能力，成为继美国之后、世界上第二个掌握该技术的国家。在今年5月举行的第十六届中国北京国际科技产业博览会上，获得2012年度“国家技术发明奖一等奖”的飞机钛合金大型整体关键构件激光成形技术得以展示。

　　中航工业副总工程师、歼-15总设计师孙聪在今年全国两会期间曾透露，钛合金和M100钢的3D打印技术（增材制造技术）已广泛用于新机设计试制过程。其中，于2012年10月至11月首飞成功的机型，广泛使用了3D打印技术制造钛合金主承力部分，包括整个前起落架。

　　二、中国展示世界最大战机3D打印钛合金零件

3D打印飞机钛合金部件

　　2013年5月24日，在第十六届中国北京国际科技产业博览会上，中航重机控股子公司中航激光所属研发团队，展示了获得2012年度“国家技术发明奖一等奖”的飞机钛合金大型整体关键构件激光成形技术。

据参与该项研究的北京航空航天大学材料加工工程的人员称，北京航空航天大学已与中航工业集团成立中航激光公司，以对该项技术成果实现产业化。在这次展会上，还首次公开展示了某型战机的大型钛合金零件。飞机钛合金大型整体关键构件激光成形技术是“3D打印技术”的高端发展形势，是一项“变革性”的短周期、低成本、数字化先进制造技术。该项目在国际上首次突破了飞机钛合金大型整体主承力结构件激光成型工艺、力学性能控制、工程化成套设备、技术标准。已经用激光直接制造30多种钛合金灯大型复杂关键金属零件在大型运输机、舰载机、C919大型客机、歼击机等7型飞机中装机应用，解决型号研制“瓶颈”，使中国成为迄今世界上唯一掌握高性能大型金属零件激光直接制造技术并实现工程应用的国家。

　　2013年1月18日，国务院向“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”颁发国家技术发明奖一等奖。目前，这一技术在我国已经投入工业化制造，使我国成为继美国之后、世界上第二个掌握飞机钛合金结构件激光快速成形及技术的国家。

　　更加令人欣喜的是，在性能上，根据公开的材料表明，我国已经能够生产优于美国的激光成形钛合金构件。成为目前世界上唯一掌握激光成形钛合金大型主承力构件制造且付诸实用的国家。

一些观察人士称，这显示歼-31战机至少有4个激光成型“眼镜式”钛合金主承力构件加强框。

　　目前，我国已经具备了使用激光成形超过12平方米的复杂钛合金构件的技术和能力，并投入多个国产航空科研项目的原型和产品制造中。成为目前世界上唯一掌握激光成形钛合金大型主承力构件制造并且装机工程应用的国家。

　　节约90%的材料和成本

　　在解决了材料变形和缺陷控制的难题后，中国生产的钛合金结构部件迅速成为中国航空研制的一项独特优势。由于钛合金重量轻，强度高，钛合金构件在航空领域有着广泛的应用前景。目前，先进战机上的钛合金构件所占比例已经超过20%。

　　传统的钛合金零件制造主要依靠铸造和锻造。其中铸造零件易于大尺寸制造，但重量较大且无法加工成精细的形状。锻造切削虽然精度较好，美国F-22战机的主要承力部件便是大型铸造钛合金框。但是零件制造浪费严重，原料的95%都会被作为废料切掉，而且锻造钛合金的尺寸受到严格的限制：3万吨大型水压机只能锻造不超过0.8平方米的零件，即使世界上最大的8万吨水压机，锻造的零件尺寸也不能超过4.5平方米。而且这两种技术都无法制造复杂的钛合金构件，而焊接则会遇到可怕的钛合金腐蚀现象。

　　激光钛合金成形技术则完全解决了这一系列难题，由于采用叠加技术，它节约了90%十分昂贵的原材料，加之不需要制造专用的模具，原本相当于材料成本1~2倍的加工费用现在只需要原来的10%。加工1吨重量的钛合金复杂结构件，粗略估计，传统工艺的成本大约是2500万元，而激光3D焊接快速成型技术的成本仅130万元左右，其成本仅是传统工艺的5%。

　　更重要的是，许多复杂结构的钛合金构建可以通过3D打印的方式一体成型，不仅节省了工时，还大大提高了材料强度。F-22的钛合金锻件如果使用中国的3D打印技术制造，在强度相当的情况下，重量最多可以减少40%。

　　在中航成飞和沈飞的下一代战斗机的设计研发中，激光钛合金成形技术已经得到了广泛运用。通过这一技术，正在研制的两型第五代战斗机歼-20和歼-31采用钛合金的主体结构，成功降低了飞机的结构重量，提高了战机的推重比；依托激光钛合金成形造价低、速度快的特点，沈飞在一年之内连续组装出歼-15、歼-16、歼-31等多型战斗机并且进行试飞。

　　民用航空制造业也开始应用这一技术。目前，在西北工业大学凝固技术国家重点实验室下设的激光制造工程中心，通过激光立体成型技术为将于2014年投产，并在2016年投入运营的国产客机C919制造了钛合金翼梁，长度超过5米。

　　除了制造外，这些部件在出现问题后，也将可以使用同样的技术进行修复，而无需重新制造，这将可以节省大量用于更换受损部件的费用。

　　凭借激光钛合金成形技术，中国在航空材料科学领域第一次走在了世界先进水平的前列，并为中国航空工业的发展打下了坚实的基础。

　　三、英国3D打印出1.2米钛金飞机机翼部件

　　近日，英国用3D打印技术制造出了一件1.2米长的钛金飞机机翼部件（注意，是最终产品，不是模具、样品），展示了3D打印技术如何彻底改变未来飞机的生产制造方式。

　　这是英国Cranfield大学领导的一个合作项目，BAE系统公司在Samlesbury和Warton的研究人员在其中设计了飞机机翼结构的一个翼梁区段。Cranfield大学在増材制造研究方面有着悠久的历史，曾于1994年为劳斯莱斯的发动机外壳等工序开发成形金属沉积（SMD，Shaped Metal Deposition）工艺。
这块打印出来的机翼部件长度有1.2m，整个制造过程包括从数字模型设计到使用一种特殊的3D打印技术WAAM（即电线和电弧増材制造，Wire and Arc Additive Manufacture）完成机翼部件的制造，全过程只花了37个小时。据3D打印资讯门户天工社了解，WAAM可以以较高的沉积速率生产大型的定制金属零件，这是航空工业中经常会遇到的一个问题。而且加快焊接的移动速度能够提高WAAM的生产效率。

　　BAE系统公司参与该项目的技术负责人之一Matt Stevens说：“通过这个项目充分证明，我们有能力制造大尺寸的钛金部件。下一个阶段目标是继续共同努力，生产更多的零件，并制订高效的工艺流程，使这一技术能够安全、无缝地在航空航天工业应用。”



　　使用3D打印制造最主要的好处是可以降低成本、节省时间。迄今为止BAE系统公司使用非金属材料3D打印技术制作了多个飞机零部件。这个最新的项目的成功将会使飞机机翼的制造更多地使用3D打印技术。