金屬3D打印，多被用于機(jī)械制造和航空航天工程中形狀復(fù)雜的零件制造，對(duì)技術(shù)指標(biāo)要求極高。但如果你認(rèn)為金屬3D打印的技術(shù)還是“外國(guó)的月亮圓”的話，那可能你就犯了一個(gè)錯(cuò)誤，因?yàn)槿粽摻饘?D打印技術(shù)與航空工程的融合應(yīng)用技術(shù)，世界頂尖水平的所在就在沈陽(yáng)，在我們身邊。走進(jìn)這里，你會(huì)感受到最新的金屬3D打印技術(shù)的精妙，發(fā)展脈絡(luò)的精彩，以及那些鮮為人知的關(guān)于3D打印故事的引人入勝。

　　追根溯源

　　增材技術(shù)的歷史，最早可以追溯到20世紀(jì)70年代末期，早在1979年，美國(guó)聯(lián)合技術(shù)研究中心的D.B.Snow等人就進(jìn)行了采用激光多層熔覆的方法制造鎳基高溫合金零件的研究并取得了相關(guān)專(zhuān)利，形成了增材制造技術(shù)的雛形，但由于此時(shí)零件的三維計(jì)算機(jī)建模及分層切片等圖形處理技術(shù)成熟不夠，這項(xiàng)技術(shù)不具備發(fā)展成為實(shí)用技術(shù)的條件。2012年3月，奧巴馬總統(tǒng)宣布計(jì)劃投資10億美元，首選發(fā)展增材制造技術(shù)，在美國(guó)構(gòu)建一個(gè)由15個(gè)制造創(chuàng)新聯(lián)盟組成的國(guó)家網(wǎng)絡(luò)，他們將作為區(qū)域性的制造優(yōu)勢(shì)中心，幫助提升美國(guó)制造商的競(jìng)爭(zhēng)力，并鼓勵(lì)在美國(guó)進(jìn)行投資。而與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)的3D打印因?yàn)榧夹g(shù)的進(jìn)步也熱度陡生。

　　“上上個(gè)世紀(jì)的思想，上個(gè)世紀(jì)的技術(shù)，這個(gè)世紀(jì)的市場(chǎng)……”這句對(duì)3D打印的評(píng)語(yǔ)，現(xiàn)在來(lái)看異常貼切。

　　王向明，中航工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所的項(xiàng)目總設(shè)計(jì)師、飛機(jī)結(jié)構(gòu)3D打印應(yīng)用技術(shù)的領(lǐng)軍人物，2003年起便組建技術(shù)團(tuán)隊(duì)，開(kāi)展了3D打印在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究。通過(guò)十余年堅(jiān)持不懈的持續(xù)探索，造就如今居于世界前列的金屬3D打印技術(shù)與航空工程的融合。

 

　　塔灣街40號(hào)，就是沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所的所在，這家始建于1961年的研究機(jī)構(gòu)，是新中國(guó)組建最早的飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，一系列飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究工作都在這里孕育而生，當(dāng)然也包括如今已成績(jī)斐然的金屬3D打印。

　　沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所金屬3D打印的“孵化室”名叫“新型功能結(jié)構(gòu)研發(fā)與工程化應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室”，這個(gè)新型功能結(jié)構(gòu)研發(fā)的航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)門(mén)從事孕育金屬3D打印技術(shù)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新，并把它與航空工業(yè)相融合，直至把這項(xiàng)技術(shù)推至世界的巔峰。該實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)基于增材制造和特種加工技術(shù)的新型功能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試驗(yàn)證、工程化應(yīng)用研究工作，以及負(fù)責(zé)新型功能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)許用值測(cè)試和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)，推進(jìn)新型功能結(jié)構(gòu)研究成果向型號(hào)的工程應(yīng)用轉(zhuǎn)化，逐步實(shí)現(xiàn)快速試制技術(shù)體系的建設(shè)。這里集中了全所并聯(lián)合了行業(yè)內(nèi)增材技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)技術(shù)力量，充分體現(xiàn)了專(zhuān)業(yè)的融合和技術(shù)隊(duì)伍的集約化特點(diǎn)?？蒲腥藛T的專(zhuān)業(yè)配置包括：結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、功能化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)技術(shù)、新結(jié)構(gòu)驗(yàn)證技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域方向，實(shí)驗(yàn)室根據(jù)飛行器結(jié)構(gòu)不同的技術(shù)特點(diǎn)、發(fā)展和需求，基于增材技術(shù)的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，結(jié)構(gòu)特性分析研究、設(shè)計(jì)優(yōu)化研究、試驗(yàn)驗(yàn)證以及結(jié)構(gòu)特性評(píng)估研究，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)從原理、方法、技術(shù)的全覆蓋，顯著提高了增材制造技術(shù)的研究水平。

　　歷經(jīng)十余年的技術(shù)開(kāi)拓，研究所實(shí)現(xiàn)了增材技術(shù)從次承力構(gòu)件到主承力構(gòu)件，再到規(guī)?；瘧?yīng)用的三個(gè)跨越，擁有多項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利，完成了4項(xiàng)增材制造技術(shù)、5種金屬材料、7類(lèi)結(jié)構(gòu)件在多型飛機(jī)上的裝機(jī)應(yīng)用，取得多項(xiàng)重大研究成果，使我國(guó)成為世界上唯一在飛機(jī)結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)上實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用的國(guó)家。

　　緣起不減

　　金屬3D打印技術(shù)能在沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所“開(kāi)枝散葉”，緣于十多年前的一次偶遇和執(zhí)著，用王向明的話來(lái)說(shuō)，這可以稱(chēng)作是“一個(gè)核桃”的故事。

　2003年，北京航空航天大學(xué)的王化明教授（2015年當(dāng)選中國(guó)工程院院士）來(lái)到沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，并隨身帶來(lái)了一個(gè)類(lèi)似“核桃”形狀的金屬物體，猶如技術(shù)“種子”，開(kāi)始孵化鈦合金結(jié)構(gòu)激光增材制造應(yīng)用技術(shù)，這也是二人正式創(chuàng)建聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)、展開(kāi)全面技術(shù)合作的開(kāi)端。通過(guò)五個(gè)方面十三個(gè)技術(shù)方向的研究，歷經(jīng)十多年時(shí)間，走過(guò)了三個(gè)里程碑。

　　第一個(gè)里程碑是2005年，突破鈦合金次承力件關(guān)鍵技術(shù)，使我國(guó)成為繼美國(guó)之后， 世界上第二個(gè)掌握飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件激光成形技術(shù)及裝機(jī)應(yīng)用的國(guó)家。第二個(gè)里程碑是2009年，突破了鈦合金大型、復(fù)雜主承力件關(guān)鍵技術(shù)，使我國(guó)一躍成為迄今世界上唯一掌握該技術(shù)并實(shí)現(xiàn)裝機(jī)工程應(yīng)用的國(guó)家。第三個(gè)里程碑是2012年，在新機(jī)研制中實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；瘧?yīng)用。團(tuán)隊(duì)先后榮獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)和兩項(xiàng)國(guó)防科技一等獎(jiǎng)。

　　當(dāng)下，我國(guó)航空、航天、船舶、汽車(chē)、海洋工程等現(xiàn)代重大工業(yè)裝備正向著大型化、復(fù)雜化、功能化和極端條件下高可靠長(zhǎng)壽命服役方向快速發(fā)展，對(duì)裝備結(jié)構(gòu)、材料及制造均提出了更加苛刻的要求。輕量化、整體化、長(zhǎng)壽命、高可靠性、結(jié)構(gòu)功能一體化以及低成本成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料應(yīng)用和制造技術(shù)共同面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，這取決于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)材料和現(xiàn)代制造技術(shù)的進(jìn)步與創(chuàng)新。增材技術(shù)，具有短周期、低成本、激發(fā)創(chuàng)新的新興技術(shù)，代表著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展方向，屬于在重大裝備制造中具有重大應(yīng)用價(jià)值的變革性制造技術(shù)。

 

　　大型航空鈦合金零件的材料利用率非常低，平均不超過(guò)10%，同時(shí)，模鍛、鑄造還需要大量的工裝模具，由此帶來(lái)研制成本的上升。通過(guò)增材制造技術(shù)，不僅可以節(jié)省材料2/3 以上，數(shù)控加工時(shí)間減少一半以上，同時(shí)不再需要模具可實(shí)現(xiàn)“快速反應(yīng)”。更重要的是，增材技術(shù)解放了制造工藝對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的約束，可以制造出最優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)件，從而將研制成本尤其是首件、小批量的研制成本大大降低。

　　王向明告訴記者，搞飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，就想要把飛機(jī)設(shè)計(jì)得性能好、重量輕。“我們剛剛接觸3D打印技術(shù)的時(shí)候，就覺(jué)得眼前一亮，覺(jué)得這是多年尋找的東西。首先它是以材料“生長(zhǎng)”的方式在制造零件，換句話說(shuō)它更符合自然規(guī)律。我們自然界所有的東西都是以生長(zhǎng)的方式在出現(xiàn)，以前我們的制造等材、減材方式居多，突然出現(xiàn)一種增材的方法來(lái)搞金屬零件，其誘惑是絕無(wú)僅有的。”回憶起初涉金屬3D打印技術(shù)的時(shí)候，王向明如是說(shuō)。

　　十多年時(shí)間對(duì)于科技研究來(lái)說(shuō)，并不漫長(zhǎng)。早在2005年，研發(fā)團(tuán)隊(duì)在突破次承力件關(guān)鍵技術(shù)時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題，當(dāng)時(shí)美國(guó)Aeromet公司倡導(dǎo)整個(gè)激光成形技術(shù)的發(fā)展理念，就是直接在結(jié)構(gòu)基板上生長(zhǎng)成形，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的加工就成為零件。理念雖好，但研究中發(fā)現(xiàn)在中等厚度的薄板上直接成形的制件，其疲勞強(qiáng)度存在嚴(yán)重不足。要知道飛機(jī)的服役期需要數(shù)十年，對(duì)疲勞性能的要求非常高，這樣的情況疲勞性能根本無(wú)法滿足要求。為此，團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)全新的理念，叫無(wú)結(jié)構(gòu)基板成形，這個(gè)技術(shù)實(shí)際上為零件的良好力學(xué)性能奠定了制造工藝基礎(chǔ)，為用于主承力結(jié)構(gòu)提出了技術(shù)保障。

　　金屬增材制造的最大技術(shù)難點(diǎn)是變形與開(kāi)裂，為使零件能做得更大、更復(fù)雜，團(tuán)隊(duì)又研發(fā)了一個(gè)宏觀尺度離散成形連接技術(shù)，通過(guò)一邊成形一邊連接的辦法，可以把零件做得很大、很復(fù)雜而不變形開(kāi)裂，為大型復(fù)雜主承力結(jié)構(gòu)件的增材制造提供核心支撐技術(shù)。至此，全面突破了鈦合金主承力結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)，并在鶻鷹飛機(jī)上實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；瘧?yīng)用。以此為核心，構(gòu)建了無(wú)模敏捷制造的快速試制模式。

　　技術(shù)細(xì)節(jié)的打磨總是一項(xiàng)艱難的歷程。多年堅(jiān)持，沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所飛機(jī)增材技術(shù)取得了舉世矚目的成就，他們突破多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，研制的零件種類(lèi)覆蓋除蒙皮壁板外的所有飛機(jī)結(jié)構(gòu)件，材料包括多種鈦合金、超高強(qiáng)鋼等，先后在4個(gè)飛機(jī)型號(hào)或項(xiàng)目中得到應(yīng)用。

　　未來(lái)可期

　　沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所在國(guó)家3個(gè)五年計(jì)劃的持續(xù)支持下，結(jié)合在研型號(hào)研制，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)增材技術(shù)領(lǐng)域取得了舉世矚目的成就，深刻認(rèn)識(shí)增材技術(shù)發(fā)展的核心是技術(shù)創(chuàng)新，在注重關(guān)鍵工藝的同時(shí)，發(fā)揮設(shè)計(jì)創(chuàng)新引領(lǐng)作用，更好地挖掘增材技術(shù)的巨大潛力。為此，沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所與北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、中航工業(yè)625所等國(guó)內(nèi)增材技術(shù)優(yōu)勢(shì)單位合作，從創(chuàng)新源頭出發(fā)，開(kāi)展了從結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)到原理驗(yàn)證、工藝優(yōu)化、綜合驗(yàn)證、快速試制，直至工程應(yīng)用的覆蓋九級(jí)成熟度的“政、產(chǎn)、學(xué)、研、用”結(jié)合的一條龍發(fā)展路線，形成了成熟設(shè)計(jì)思想與方法。

　　舉目前望，如何讓金屬3D打印在更多的領(lǐng)域做更多的事兒，是團(tuán)隊(duì)一直思考的問(wèn)題。在他們的計(jì)劃里，用越來(lái)越先進(jìn)也越來(lái)越實(shí)用的金屬3D打印推動(dòng)軍民融合，再經(jīng)過(guò)深度發(fā)展，進(jìn)而發(fā)揮更大的功效。2015年遼寧省科技廳批準(zhǔn)沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所組建增材制造產(chǎn)業(yè)共性技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)和工程技術(shù)中心，沈陽(yáng)市政府也在大力推進(jìn)增材技術(shù)產(chǎn)業(yè)化服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)的進(jìn)程。省市領(lǐng)導(dǎo)和主管機(jī)關(guān)領(lǐng)導(dǎo)多次現(xiàn)場(chǎng)考察，為沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所增材技術(shù)提供有力支持，為促進(jìn)軍民融合持續(xù)發(fā)展搭建了寬闊舞臺(tái)。

　已經(jīng)有不止一人預(yù)言，在未來(lái)工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用方面，金屬3D打印將擁有強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。現(xiàn)在桌面3D打印機(jī)打印出來(lái)的普通的成品大都是塑料制品，主要用來(lái)展示及模型等，在實(shí)用性方面還有所欠缺。但隨著科技發(fā)展和推廣應(yīng)用需求，利用快速成形直接制造金屬功能零件，將成為了快速成形主要的發(fā)展方向。金屬零件增材技術(shù)作為整個(gè)3D打印體系中最為前沿和最具潛力的技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向，它所能呈現(xiàn)的功用和空間無(wú)法預(yù)料。借助省市地域優(yōu)勢(shì)和省市政府改革創(chuàng)新的強(qiáng)力推動(dòng)，沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所的增材技術(shù)必須成為支持地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技創(chuàng)新的璀璨新星。

　　1月22日，遼寧省增材制造產(chǎn)業(yè)共性技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)合作框架協(xié)議簽署暨揭牌儀式在中航工業(yè)沈陽(yáng)所飛行器仿真中心隆重舉行。沈陽(yáng)所作為平臺(tái)理事長(zhǎng)單位與12家理事單位簽署了合作框架協(xié)議。

　　遼寧省增材制造產(chǎn)業(yè)共性技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)以沈陽(yáng)所新型功能結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室軍用增材技術(shù)為依托，集結(jié)了省內(nèi)多家優(yōu)勢(shì)單位，力求建成綜合實(shí)力和技術(shù)研發(fā)水平國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的創(chuàng)新型增材技術(shù)產(chǎn)業(yè)平臺(tái)。創(chuàng)新平臺(tái)重點(diǎn)致力于軍民共用的增材技術(shù)創(chuàng)新研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)、成果轉(zhuǎn)化及應(yīng)用推廣，打造一條龍技術(shù)發(fā)展鏈條，形成健全的開(kāi)放服務(wù)能力，面向遼寧省民用航空、汽車(chē)工業(yè)、海洋工程、智能制造等產(chǎn)業(yè)的重大高端裝備研制轉(zhuǎn)型及科技平臺(tái)創(chuàng)新的需求開(kāi)展服務(wù)。按計(jì)劃到2018年，將全面完成平臺(tái)建設(shè)，形成具有自主特色的軍民融合增材技術(shù)研究體系和國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的增材技術(shù)研發(fā)能力，并建成我國(guó)第一個(gè)工業(yè)級(jí)、全產(chǎn)業(yè)鏈增材技術(shù)研發(fā)基地和第一個(gè)增材技術(shù)軍轉(zhuǎn)民技術(shù)產(chǎn)業(yè)孵化平臺(tái)。