航空航天發(fā)展方向精選(九篇)

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第1篇：航空航天發(fā)展方向范文

關(guān)鍵詞：增材制造技術(shù)；金屬快速成型；工程應用；發(fā)展趨勢

中圖分類號：TB47 文獻標志碼：A

增材制造技術(shù)又稱快速成型技術(shù)（RapidPro－totyping，RP），是20世紀80年代中期發(fā)展起來的一種利用材料堆積法制造實物產(chǎn)品的一項高新技術(shù)．該技術(shù)借助計算機、激光、精密傳動和數(shù)控等手段，將計算機輔助設計（CAD）和計算機輔助制造（CAM）集成于一體，以逐層累積的建造方式在短時間內(nèi)直接制造產(chǎn)品樣品，無需傳統(tǒng)的機械加工設備和工藝，顯著地縮短了產(chǎn)品開發(fā)的周期，增強了企業(yè)的競爭能力［1］．相比傳統(tǒng)機械制造方法，增材制造技術(shù)可以實現(xiàn)任意復雜結(jié)構(gòu)模具等的快速制造，在單件或小批量生產(chǎn)用機械制造過程中，具有制造成本低，周期短的優(yōu)勢，因此廣泛應用于機械制造業(yè)［2］．

1增材制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1．1增材制造技術(shù)在國外的發(fā)展

增材制造技術(shù)最早出現(xiàn)在1892年，美國Blan－ther用分層制造法構(gòu)成地形圖并申請了專利，開啟了該技術(shù)發(fā)展的序幕．20世紀80年代，RP技術(shù)經(jīng)歷了快速及根本性的發(fā)展，僅在1986～1998年期間注冊的美國專利就有274個［3］．美國的3DSystems公司于1988年生產(chǎn)出了世界上第一臺液態(tài)光敏樹脂選擇性固化快速成型機（SLA－250）．20世紀90年代后期，出現(xiàn)了3DP、SDM、SGC、FDM等十幾種不同的快速成型技術(shù)．2012年美國總統(tǒng)奧巴馬為重振美國制造業(yè)提出一系列計劃，將3D打印技術(shù)列為11項重要技術(shù)之一．英國技術(shù)戰(zhàn)略委員會“未來的高附加值制造技術(shù)展望”中，把增材制造技術(shù)列為提升國家競爭力，應對未來挑戰(zhàn)的22個應優(yōu)先發(fā)展技術(shù)之一［4］．目前，美國Ford汽車公司和DuPont公司已經(jīng)在他們的生產(chǎn)線上采用RP技術(shù)，美國Pratt＆Whitney公司已應用RP技術(shù)制造鑄造熔模．歐洲和日本等國家也不甘落后，紛紛進行RP技術(shù)及設備研制等方面的研究工作，如德國的EOS公司、以色列的Cubital公司以及日本的CMET公司等［3］．近年來，采用RP設備最積極的地區(qū)是東亞，尤其是韓國、香港、新加坡［5］．國外RP技術(shù)在航天航空、汽車交通、醫(yī)療器械、藝術(shù)創(chuàng)作等多個領域得到應用．

1．2增材制造技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展

我國于90年代初才開始增材制造技術(shù)研究，雖短短20余年時間，卻得到了工業(yè)界的高度重視，發(fā)展迅速．2013年，國內(nèi)媒體紛紛報道，將RP技術(shù)稱為“3D打印—無所不能的未來”［6］、“幾乎顛覆傳統(tǒng)的制造模式”［7］等．我國已擬定增材制造技術(shù)路線圖和中長期發(fā)展戰(zhàn)略，中國工程院2012年1號文件內(nèi)容即為進行“增材制造技術(shù)工程科技發(fā)展戰(zhàn)略的研究”，成立了由華中科技大學、西安交通大學、清華大學、北京航天航空大學、西北工業(yè)大學和國防科工委625所等專家組成的工作組，并已在2013年3月提交相關(guān)咨詢研究報告［4］．目前，我國已初步形成增材制造設備和材料的制造體系．部分國產(chǎn)設備已接近或達到美國公司同類產(chǎn)品的水平，設備及材料價格便宜．在國家科學技術(shù)部的支持下，我國已在深圳、天津、上海、西安等地建立一批向企業(yè)提供快速成形技術(shù)的服務機構(gòu)，推動了增材制造技術(shù)在我國的廣泛應用．另外，我國的部分科研院所和企業(yè)已研發(fā)出光固化、金屬熔敷、生物制造、陶瓷成形、激光燒結(jié)、金屬燒結(jié)、生物制造等類型的增材制造裝備和材料［8］，取得了很好的效果．但與工業(yè)化國家相比，我國RP技術(shù)的研究和應用尚存在一定的差距．

2增材制造技術(shù)基本成型原理與工藝

2．1增材制造技術(shù)的原理

增材制造技術(shù)是采用離散∕堆積成型的原理，通過離散獲得堆積的路徑、限制和方式，經(jīng)過材料堆積疊加形成三維實體的一種前沿材料成型技術(shù)［9］．其過程為：對具有CAD構(gòu)造的產(chǎn)品三維模型進行分層切片，得到各層界面的輪廓，按照這些輪廓，激光束選擇性地切割一層層的紙（或樹脂固化、粉末燒結(jié)等），形成各界面并逐步疊加成三維產(chǎn)品［10］．由于增材制造技術(shù)把復雜的三維制造轉(zhuǎn)化為一系列二維制造的疊加，因而可以在沒有模具和工具的條件下生成任意復雜的零部件，極大地提高了生產(chǎn)效率和制造柔性［11］．增材制造技術(shù)體系可分解為幾個彼此聯(lián)系的基本環(huán)節(jié)：三維模型構(gòu)造、近似處理、切片處理、堆積成形、后處理等．增材制造過程如圖1所示．

2．2增材制造技術(shù)的制造工藝

隨著CAD建模和光機電一體化技術(shù)的發(fā)展，增材制造技術(shù)的工藝發(fā)展很快，按照所用材料和建造技術(shù)的不同，目前投入應用的已有十余種工藝方法．其中發(fā)展較為成熟的主要有光固化立體成型、分層實體制造、選擇性激光燒結(jié)等．上述工藝發(fā)展較為成熟，在此不再贅述．金屬直接成形法可以實現(xiàn)具有較高致密度和力學性能產(chǎn)品的快速制造，但工藝難度大，因此整體還處于技術(shù)研究階段［2］．現(xiàn)將發(fā)展?jié)摿^大、較前沿的金屬直接成型工藝進行重點介紹．2．2．1激光立體成形技術(shù)激光立體成形技術(shù)（LSF）是在快速成形技術(shù)和大功率激光熔覆技術(shù)蓬勃發(fā)展的基礎上迅速發(fā)展起來的一項新的先進制造技術(shù)［12］．該技術(shù)綜合了激光技術(shù)、材料技術(shù)、計算機輔助設計、計算機輔助制造技術(shù)和數(shù)控技術(shù)等先進制造技術(shù)，通過逐層熔化、堆積金屬粉末，能夠直接從數(shù)據(jù)生成三維實體零件，具有無模具、短周期、近凈成形、組織均勻致密、無宏觀偏析等優(yōu)點［13］．這項技術(shù)尤其適用于大型復雜結(jié)構(gòu)零件的整體制造，在航空航天等高技術(shù)領域具有廣闊的發(fā)展前景．目前，LSF的研究不斷取得突破性進展，發(fā)展迅速．如西北工業(yè)大學凝固技術(shù)國家重點實驗室，在國內(nèi)率先提出LSF發(fā)展構(gòu)思，并研發(fā)一套完整的高性能致密金屬零件的激光立體成形理論、技術(shù)與裝備，榮獲陜西省科學技術(shù)一等獎［14］．近年來，LSF在大型鈦合金構(gòu)件的研究方面取得重大突破，解決了其變形控制、幾何尺寸控制、冶金質(zhì)量控制、系統(tǒng)裝備等方面的一系列難題［4］，如試制成功C9飛機翼肋TC4上下緣條構(gòu)件．另外，LSF在一些理論研究方面也取得一些進展，如激光成形凝固組織的理論分析；TC4合金的α＋β兩相組織控制、斷裂韌性、疲勞性能的研究；激光立體成形鎳基合金室溫拉伸和高溫持久性能研究等．LSF在航空航天領域的設備修復、激光組合制造、現(xiàn)場維修和再制造以及醫(yī)用植入體應用等領域已得到廣泛應用．其中，航空航天領域研究進展顯著，如航空航天高性能薄壁零件的成形、挽救常規(guī)技術(shù)不可修復的航空發(fā)動機零件、修復高推重比航空發(fā)動機整體葉盤、尾氣能量處理透平機0Cr17Ni4Cu4Nb葉輪修復［4］等．LSF發(fā)展較快，已在國內(nèi)外獲得廣泛應用，還須在工藝研究進一步系統(tǒng)化、理論研究繼續(xù)深化、發(fā)展激光涂覆過程的實時觀測技術(shù)、開發(fā)適用于該技術(shù)的合金材料、成形精度與成形速率如何達到最佳匹配［15］等方面加大研究力度．2．2．2激光選區(qū)熔化工藝激光選區(qū)熔化工藝（SLM）是激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)的一種升級和衍生，是直接進行金屬打印的最新前沿技術(shù)之一．該技術(shù)為將零部件CAD模型分層切片，采用預鋪粉的方式，掃描鏡帶動激光束在計算機控制下沿圖形軌跡掃描選定區(qū)域的合金粉末層，使其熔化并沉積出與切片厚度一致、形狀為零件某個橫截面的金屬薄層，直到制造出與構(gòu)件CAD模型一致的金屬零件［16］．其工藝原理圖如圖2所示，SLM制造激光功率一般在數(shù)百瓦級，精度高（最高可達0．05mm），質(zhì)量好，加工余量?。艿呐浜厦嬷?，制造的產(chǎn)品一般經(jīng)噴砂或拋光等后續(xù)簡單處理就可直接使用．該技術(shù)燒結(jié)速度快，成型件質(zhì)量精度高，適合中、小型復雜結(jié)構(gòu)件，尤其是復雜薄壁型腔結(jié)構(gòu)件的高精度整體快速制造［16］．SLM可為生產(chǎn)高精密、復雜器件提供全新的制造方法，應用前景廣闊．如：美國GE公司在各大型企業(yè)中率先成立金屬材料激光熔化增材制造研發(fā)團隊，并在LEAP噴氣發(fā)動機中采用SLM制造燃油噴嘴；美國NASA馬歇爾航天飛行中心于2012年采用激光選區(qū)熔化成形技術(shù)制造了復雜結(jié)構(gòu)金屬零部件樣件，用于“太空發(fā)射系統(tǒng)”重型運載火箭；2013年8月，NASA對SLM制造的J－2X發(fā)動機噴注器樣件進行了熱試車試驗并獲得成功；美國加利福尼亞大學圣迭戈分校太空發(fā)展探索團隊用3D打印方法制造火箭發(fā)動機推力室組件等［16］．在設備開發(fā)方面，早在2004年，華南理工大學與北京隆源合作，在國內(nèi)選區(qū)激光燒結(jié)設備的基礎上首先開發(fā)出選區(qū)激光熔化快速制造設備Dimetal－240．2012年，華南理工大學研發(fā)出最新精密型Dimetal－100成型機［17］．目前，各研究機構(gòu)一直致力于高（變）致密度、成型角度、薄壁、力學性能等基礎研究，適用于該技術(shù)的各種金屬材料及工藝研究有待開發(fā)．

3增材制造技術(shù)的應用典型

3．1設計驗證方面的應用

增材制造技術(shù)在設計驗證方面應用廣泛，可應用于航天系統(tǒng)功能性風扇組裝、進行功能性和聲響測試，使得模擬實際旋轉(zhuǎn)速度達15000r／min，遴選出問題解決方案，節(jié)約成本［18］．保時捷將其用于功能性測試，以便分析冷凍液流動特性，改變設計以減少紊流．另外，美國GE公司采用增材制造技術(shù)用1個零件代替原設計20個零件組成的飛機發(fā)動機噴嘴，減重25％，增效15％，制造成本大幅度降低，已大批量生產(chǎn)；美國公司還采用增材制造技術(shù)，成形了能耐熱3300°C的復合材料航天發(fā)動機零件，使其成為“龍飛船2號推力達到龍飛船1號推力的200倍”技術(shù)的關(guān)鍵［19］．增材制造技術(shù)還可應用于機器人表面映射反饋輔助原型設計［20］、光彈應力分析等．光彈應力分析時，需將作用于激光快速原型工件上的應力可視化，以識別設計不足的區(qū)域．圖3為增材制造技術(shù)設計驗證的部分應用.

3．2模具制造方面的應用

增材制造技術(shù)在模具制造方面的應用廣泛，主要分為軟模具制造和硬模具制造．利用真空澆注軟硅膠模翻模技術(shù)，可生產(chǎn)小批量的類似工程塑料、聚氨酯等產(chǎn)件．快速鑄造方面，光敏樹脂消失法鑄造可一次完成鑄造成型，周期短，機械性能好［21］．嘉陵集團利用該技術(shù)用于摩托車發(fā)動機缸頭研制，獲得了巨大的經(jīng)濟效益．光固化原型與砂型結(jié)合鑄造技術(shù)應用也較為廣泛，如研發(fā)新型四缸柴油發(fā)動機缸蓋［18］、開發(fā)汽車零部件［22］等．快速成形原型直接制造蠟型模具可用于小批量精鑄，大大提高鑄件壽命，節(jié)約成本．另外，西安交通大學研發(fā)出的陶瓷型鑄造，鑄型外殼、內(nèi)芯和漿料包裹層一體化設計，使航空葉片鑄件合格率由15％提升至85％．東方氣輪機廠利用該技術(shù)已研發(fā)出空心渦輪葉片，大大提高了葉片機械力學性能［18］．目前，最為先進的快速模具制造方法有樹脂基復合材料快速制模方法、中或低熔點合金鑄造制模、金屬電弧噴涂制模等．其中，金屬電弧噴涂成型快速制模技術(shù)［18］在模具成本、壽命、制造周期、精度等方面具有綜合優(yōu)勢，并且模具工作表面具有較好的強度、硬度和耐磨性，模具表面摩擦學特性更接近于鋼質(zhì)模具，是一種較為理想的快速制模方法．其技術(shù)原理、設備及制模應用如圖4、5所示．快速模具技術(shù)可節(jié)約成本3／4，縮短生產(chǎn)周期約2／3．提高模具制造精度、開發(fā)新材料新工藝、直接制造高強度金屬模具等是該技術(shù)的重要發(fā)展方向．

3．3個性化醫(yī)療方面的應用

增材制造技術(shù)在醫(yī)療模型制造和體外醫(yī)療器械［23］、個性化永久植入物制造、組織工程支架制造、細胞打印、器官打印方面應用廣泛，現(xiàn)已取得較大進展．如利用增材制造技術(shù)制造出高精度連體骨骼模型，成功實現(xiàn)連體嬰兒分離［24］等．西安交通大學與第四軍醫(yī)大學聯(lián)合開展骨替代物制造、定制化人工脛骨半關(guān)節(jié)大段骨重建術(shù)、定制化鈦合金半膝關(guān)節(jié)假體復合大段骨移植、定制下頜骨原型設計［25］等研究，并成功實現(xiàn)中國首例“下頜骨溶解修復”手術(shù)［18］．另外，西安交通大學與昆明軍區(qū)醫(yī)院聯(lián)合進行了脊椎手術(shù)導航模板制作等研究，進一步擴展了個性化永久植入物的應用領域．采用TCP材料，西安交通大學積極開展基于光固化原型的支架制作人工活性骨支架研究，取得一定的科研進展．圖6所示為利用3D打印技術(shù)制作的脊椎手術(shù)導航模板．

4增材制造技術(shù)的發(fā)展趨勢

目前，增材制造技術(shù)存在許多問題，如材料方面限制、成形精度與成形速度的矛盾、設備及材料的價格昂貴等．在未來的發(fā)展中，該技術(shù)將會在新材料及創(chuàng)新工藝［26］、裝備與關(guān)鍵器件、與傳統(tǒng)工藝相結(jié)合等方面展開更深入的研究．另外，增材制造技術(shù)要克服一些技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)上的突破，如：與傳統(tǒng)制造結(jié)構(gòu)保持同樣的強度；減小成型過程中的變形，細化光斑、優(yōu)化材料和工藝［27］，以提高制造精度；進行工藝創(chuàng)新與優(yōu)化，提高光束能量以提高制造效率［18］等．現(xiàn)階段，該技術(shù)將重點研究陶瓷零件制造、復合材料制造、聚合物噴射快速原型制造［28］、金屬直接制造等，如：利用光固化原型技術(shù)，使支撐結(jié)構(gòu)中組織發(fā)生變化制作碳化硅復合材料零件；使用高介電陶瓷材料，構(gòu)造復雜型腔結(jié)構(gòu)實現(xiàn)微波負折射功能，進行光子晶體制造，完成傳統(tǒng)制造技術(shù)難以制作的內(nèi)外形結(jié)構(gòu)；深入研究金屬直接成形自愈合原理，進行高溫合金葉片制作實現(xiàn)金屬直接制造［18］等．增材制造技術(shù)在工藝研究方面，存在許多具有潛力的研究方向．如：建立多層激光直接成形的自穩(wěn)定機制并利用粉末負離焦技術(shù)制造薄壁，使工件側(cè)面平均粗糙度達到10．04μm；充分研究葉片制造中的曲率效應，實驗發(fā)現(xiàn)曲率大處熔化嚴重；進行空心葉片掃描路徑設計與實驗研究，以輪廓、光柵（方向優(yōu)化）、分區(qū)的路徑選擇掃描復雜空心葉片，減少空行程，節(jié)約粉末；依據(jù)液氮控制冷卻梯度，對空心葉片定向晶組織進行控制［18］等．在生物組織制造方面，增材制造技術(shù)潛力巨大，應用前景廣闊，如：進行肝組織支架制造，通過仿生流道和定向多孔結(jié)構(gòu)促進肝細胞向支架內(nèi)生長，研究支架／細胞復合體用于修復肝缺損的有效性［29］；對細胞打印和器官打印等生物醫(yī)學前沿領域研究探索［18］等．另外，將增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)工藝相結(jié)合，進行小批量制造，可發(fā)揮倍增效益，是該技術(shù)發(fā)展的一大趨勢．

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