您所乘坐的飛機已經打印完成

子寧

“您所乘坐的飛機已經打印完成，請登機。”

未來某天，你在候機的時候聽到這樣的機場廣播，一定會無比驚訝，“打印的飛機？什么情況？”

剛剛“打印”出來的飛機的確不可能直接登機，但運用3D技術制造飛機，已經不再是天方夜譚了。近些年，隨著3D打印技術的發(fā)展，飛機——這種對安全性要求極高的工業(yè)產品越來越多的使用了3D打印技術生產的零件，2016年5月底，空中客車公司就公開了他們申請的一項全新3D打印工藝的專利，未來這將徹底改變大型制造業(yè)的生產方式，甚至可以3D打印整架飛機。

那么，3D打印到底是什么？

3D打印又稱增量制造、積層制造（Additive Manufacture），只指任何打印三維物體的過程。與傳統(tǒng)工業(yè)制造中使用車床等對工件進行去材處理的方式相反，3D打印主要是一個不斷添加的過程，在計算機控制下層疊原材料。其內容可以來源于三維模型或其他電子數(shù)據(jù)，其打印出的三維物體可以擁有任何形狀和幾何特征。

“3D打印”一詞原指順序的將材料沉積到粉末層噴墨打印頭的過程，現(xiàn)在該詞的含義已經包括各種類似技術，如擠壓和燒結過程。舉例來說，辦公室常見的噴墨打印機是將墨汁按照規(guī)則噴涂到紙張上形成文字或圖案，3D打印既是在同一點不停地噴出墨汁，或粉末顆粒、膠體等物質，使其高度不斷增加，同時凝固，這樣便形成了立體的結構。這就是3D打印。

使用3D打印技術制造ABS樹脂、聚碳酸酯、高密度聚乙烯等高分子聚合物的過程比較容易理解，即將這些物質通過加熱、加壓，使其軟化，然后從受計算機控制位移的打印頭擠出，自然冷卻凝固即可。但金屬材料怎么3D打印呢？總不能將鐵塊熔成鐵水，那可得一兩千攝氏度的高溫。

換個思路，不能用金屬液體，那就選用金屬顆粒（粉末）。首先，將顆粒均勻鋪灑在基床上，使用激光或電子束將顆粒選擇性熔合，再鋪灑一層材料重復，直到一個完整的部件被生產出來。與3D打印其他材料相同，金屬3D打印也需要預先在計算機上對部件進行數(shù)字化分層。

20世紀80年代，得克薩斯大學的卡爾-狄卡德（Carl Deckard）和約瑟夫.比曼（Joseph Beaman）兩位博士在美國國防部高級研究計劃局（DARPA）的資助下發(fā)明了選擇激光燒結（SLS）工藝，該工藝可以力EIT的材料為熱塑性塑料、金屬粉末、陶瓷粉末。SLS與直接金屬激光燒結（DMLS）的原理相同，既使用激光將作為粘結媒介包裹（或摻混）粉末顆粒的低熔點物質熔化，從而使粉末燒結在—起。這種技術加工出來的金屬部件強度較低。

為了使3D打印出來的金屬部件擁有與傳統(tǒng)方法生產出的金屬擁有類似的機械性能，選擇性激光熔化（SLM）工藝應運而生，該技術分層使用高能激光使金屬粉末完全熔化，產出高密度的材料。SLM工藝可加工的材料有鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼以及鋁。

目前，一種更先進的金屬3D打印工藝是電子光束熔煉（EBM），EBM工藝是在真空中用電子束（對金屬施加高壓電流，使其釋放出高速電子）逐層熔化金屬粉末。與需要在低于金屬熔點溫度下采用的金屬燒結工藝不同，EBM工藝生產出的部件密度大、無氣泡、硬度高、純度高，可以打印包括鈦合金在內的幾乎所有金屬。與SLM、SLS工藝相比，電子束單位效率更高，安裝維護成本低，且“打印頭”不需要移動部件。當然，對真空環(huán)境的要求導致EBM需要另一套系統(tǒng)，需要1000攝氏度以上的高溫環(huán)境，都是EBM的劣勢。

2016年5月的霍尼韋爾國際媒體開放日上，本刊記者在位于美國鳳凰城的3D打印實驗室中見到了一個管腔零件，這是航空航天制造企業(yè)中第一個使用EBM工藝打印的鎳鉻鐵合金718，這個管件用于HTF7000小型渦扇發(fā)動機。與傳統(tǒng)工藝相比，它的制造成本減少了50%，制造周期也大幅縮短。鎳鉻鐵合金718是一種高溫合金，噴氣發(fā)動機中的熱部件有一半以上都使用這種材料。

霍尼韋爾表示，這個成功的經驗將支撐其用相同的技術和材料生產后軸承渦輪支架。該支架在發(fā)動機中將承受渦輪高速旋轉所帶來的熱應力、拉壓應力與剪切應力，是發(fā)動機中極為重要的承力結構。

除發(fā)動機部件外，一些飛機機身的承力部件也采用了3D打印技術。例如我國自主研發(fā)的C919大型客機，該機的中央翼緣條鈦合金部件就采用了SLS工藝，尺寸長達3070毫米，重196千克，制造時間從傳統(tǒng)工藝的6個月縮短到25天。這在國際民機設計生產中尚屬首次。

使用3D打印技術制造的部件成本之所以比傳統(tǒng)工藝部件低，主要是因為制造的便捷性降低了設計成本。使用傳統(tǒng)工藝制造的部件在設計之初就要考慮材料選擇、制作方法（零件的鑄造、鍛造選擇，車銑刨磨的去材手段等）、多個零件之間的裝配，而3D打印可以一次成型。

但由于采用激光、電子束逐層熔融金屬粉末，如何檢查金屬部件內部結構是否健康也成為3D打印工藝中一個問題。檢查成品金屬部件內部缺陷的傳統(tǒng)方法多采用坐標測量機、X射線等，CT掃描也可以看到部件內部更深處的情況，但這些檢查技術都會受到人為失誤的影響。

為避免這樣的失誤，利用3D打印的自身特點，霍尼韋爾和西格瑪實驗室（Sigma Labs）合作研究出符合增材制造技術設計意圖的客觀證據(jù)。因為3D打印時，部件會按照CAD（計算機輔助設計）模型的數(shù)千個分層逐層打出，PrintRite3D CONTOUR TM系統(tǒng)會在每一層打印完成后拍攝數(shù)字圖像。計算機會得每張圖像的特征進行測量，并將數(shù)據(jù)與CAD文件進行比對，從而為部件是否符合設計意圖提供客觀證據(jù)。如果計算機識別出剛剛打印的切片與相應的CAD文件切片有偏差，計算機就會自動將其上報為可疑切片。此外，安裝在打印機上的高溫電子溫度計與光電二極管還會檢測熔池溫度等信息，以監(jiān)測金屬微觀結構，并生成熔池的“電子簽名”，以備檢驗。

回到文初，用3D打印技術造飛機，他匡舊不多說，我國目前已經取得了諸多相當矚目的成績，自2005年以來，我們已在殲15、殲11B、殲20、殲31、運20以及C919等7種機型、“東風”系列的多型導彈、渦扇13等3型航空發(fā)動機等重點型號中采用了金屬3D打印工藝，并取得了良好效果。其中，以中國工程院院士、北航教授王明華為代表的一批增材制造專家，已為我國在鈦合金大型復雜整體構建激光成形、發(fā)動機葉片整體成形等多種與先進飛機制造直接相關的領域取得突破。

有突破，也有壁壘，金屬3D打印技術的固有特點導致其在效率、成本以及打印產品的自身價值之間有與傳統(tǒng)不同的平衡。霍尼韋爾航空航天集團研究級工程師唐納德-戈弗雷（Donald Godfrey）表示，由于增材制造的經濟效率目前還不能和傳統(tǒng)鑄造相比，因此未來將開始對小批量但高價值的部件進行打印。這也符合目前金屬3D打印技術的經濟規(guī)律。

制約3D打印工業(yè)化的主要原因是——速度。目前激光3D打印單個零件的速度相對較慢，每小時打印重量約為1千克，最好的EBM能達到15千克/小時。雖然現(xiàn)在已有多光頭多層鋪粉同步打印工藝，但這仍然無法與傳統(tǒng)工藝大規(guī)模批量生產簡單零件相比（傳統(tǒng)工藝生產單位為“噸/一天”）。

“您所乘坐的飛機已經打印完成，請登機?！笔且痪淇鋸埖拿枋觯萌鹿に?D打印整架飛機，也為時尚早。沒有任何一種現(xiàn)有的制造方法，可以獨自解決航空制造中的所有問題，即便是造一具機身。不過的確，3D打印產品將會越來越多的出現(xiàn)在飛機上，駕駛艙風擋，起落架，或者是你的座椅。 責任編輯：陳肖