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(yīng)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(shè)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(shè)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(fù)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(yīng)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(yīng)對未來挑戰(zhàn)的22個應(yīng)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(yīng)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(shè)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(shè)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(lǐng)域得到應(yīng)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(xué)、西安交通大學(xué)、清華大學(xué)、北京航天航空大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)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(shè)備和材料的制造體系．部分國產(chǎn)設(shè)備已接近或達到美國公司同類產(chǎn)品的水平，設(shè)備及材料價格便宜．在國家科學(xué)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(wù)機構(gòu)，推動了增材制造技術(shù)在我國的廣泛應(yīng)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(yīng)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(fù)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(fù)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(yīng)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(xué)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(chǔ)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(shè)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(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的整體制造，在航空航天等高技術(shù)領(lǐng)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(xué)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(xué)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(lǐng)域的設(shè)備修復(fù)、激光組合制造、現(xiàn)場維修和再制造以及醫(yī)用植入體應(yīng)用等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用．其中，航空航天領(lǐng)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(fù)的航空發(fā)動機零件、修復(fù)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(fù)［4］等．LSF發(fā)展較快，已在國內(nèi)外獲得廣泛應(yīng)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(yù)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猓圃斓漠a(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(fù)雜結(jié)構(gòu)件，尤其是復(fù)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(fù)雜器件提供全新的制造方法，應(yīng)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(fù)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(xué)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(shè)備開發(fā)方面，早在2004年，華南理工大學(xué)與北京隆源合作，在國內(nèi)選區(qū)激光燒結(jié)設(shè)備的基礎(chǔ)上首先開發(fā)出選區(qū)激光熔化快速制造設(shè)備Dimetal－240．2012年，華南理工大學(xué)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(xué)性能等基礎(chǔ)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(yīng)用典型

3．1設(shè)計驗證方面的應(yīng)用

增材制造技術(shù)在設(shè)計驗證方面應(yīng)用廣泛，可應(yīng)用于航天系統(tǒng)功能性風(fēng)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(shè)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(shè)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(fù)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(yīng)用于機器人表面映射反饋輔助原型設(shè)計［20］、光彈應(yīng)力分析等．光彈應(yīng)力分析時，需將作用于激光快速原型工件上的應(yīng)力可視化，以識別設(shè)計不足的區(qū)域．圖3為增材制造技術(shù)設(shè)計驗證的部分應(yīng)用.

3．2模具制造方面的應(yīng)用

增材制造技術(shù)在模具制造方面的應(yīng)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(yīng)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(xué)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(shè)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(xué)性能［18］．目前，最為先進的快速模具制造方法有樹脂基復(fù)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(xué)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(shè)備及制模應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(xué)與第四軍醫(yī)大學(xué)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(fù)合大段骨移植、定制下頜骨原型設(shè)計［25］等研究，并成功實現(xiàn)中國首例“下頜骨溶解修復(fù)”手術(shù)［18］．另外，西安交通大學(xué)與昆明軍區(qū)醫(yī)院聯(lián)合進行了脊椎手術(shù)導(dǎo)航模板制作等研究，進一步擴展了個性化永久植入物的應(yīng)用領(lǐng)域．采用TCP材料，西安交通大學(xué)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(dǎo)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(shè)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(fù)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(fù)合材料零件；使用高介電陶瓷材料，構(gòu)造復(fù)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(yīng)，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(shè)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(fù)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(yīng)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(fù)合體用于修復(fù)肝缺損的有效性［29］；對細胞打印和器官打印等生物醫(yī)學(xué)前沿領(lǐng)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．

5結(jié)語