殲-15,、殲-16、殲-31……近年來,，中國軍事科技突飛猛進，以先進戰(zhàn)機為代表的各種尖端武器密集亮相,，讓世界看花了眼,。近日，在全國兩會上,，全國政協(xié)委員,、殲-15總設計師孫聰爆出了中國軍工迅速發(fā)展的秘密——領先世界的3D打印技術(shù)。這項被英國《經(jīng)濟學人》認為“將推動實現(xiàn)第三次工業(yè)革命”的技術(shù),，早已引發(fā)美國,、歐洲諸國的激烈鏖戰(zhàn)，“戰(zhàn)火”從太空一直蔓延到器官移植,，從F-35,、F-22等先進武器“燒”到每個人的日常用品，現(xiàn)在中國竟后來居上,，確實讓美歐大吃一驚,。, N- l' P! Q% }% Y/ m
全國兩會上匯集著中國最耀眼的各路“明星”，這當然包括全國政協(xié)委員,、中航工業(yè)副總工程師,、中國航母艦載機殲-15總設計師孫聰。2012年11月,，殲-15艦載機在中國首艘航母“遼寧艦”成功起降,，讓這位科技明星成了記者追逐的對象。
. b* \9 p$ Q3 S6 f& \$ W“對不起,，對不起,，這些真不能說”,，面對記者提出的幾個有關艦載機的問題，擔心一開口就說出秘密的孫聰始終微笑著守口如瓶,，但還是在不死心的記者“逼問”下,，透露了不少“秘密”。0 \ a5 T7 x6 A6 I% I1 B8 Q
“我想說的是,，2012年是我國中航工業(yè)和我國航空工業(yè)井噴之年,。讓世界震驚的不光是技術(shù)，更因為航空工業(yè)發(fā)展體現(xiàn)了中國速度”,，面對《科技日報》的專訪,，孫聰說。作為我國自行設計研制的首型艦載多用途戰(zhàn)斗機,，殲-15可以說 “高起點,，高起步，從一無所有一下子跨越到第三代戰(zhàn)斗機的艦載機,，殲-15達到美國最先進的第三代艦載機‘大黃蜂’的技術(shù)水準,。”
- {: ~2 k) u2 P9 V從沒有技術(shù)儲備,、技術(shù)規(guī)范,、經(jīng)驗、人才隊伍的一張白紙做起,，殲-15如何實現(xiàn)這一飛躍,？孫聰透露，殲-15項目率先采用了數(shù)字化協(xié)同設計理念：三維數(shù)字化設計改變了設計流程,，提高了試制效率,；五級成熟度管理模式，沖破設計和制造的組織壁壘,，而這與3D打印技術(shù)關系緊密,。他透露，鈦合金和M100鋼的3D打印技術(shù)已應用于新機試制過程,，主要是主承力部分,。
( b" H) C1 A2 Y- F8 n在傳統(tǒng)的戰(zhàn)斗機制造流程當中，飛機的3D模型設計好后,，需要進行長期的投入來制造水壓成型設備,，而使用3D打印這種增材制造技術(shù)后，零件的成型速度,、應用速度得以大幅度提高,。如果不是采用3D打印的增材制造技術(shù)，殲-15戰(zhàn)斗機至今能否首飛都很難講,。
! C9 ~: t" d+ S; Q5 C“鈦合金3D打印技術(shù)已用于新機研制”,，這一條消息立刻成為媒體矚目的焦點�,！毒┤A時報》引述孫聰?shù)脑捳f,，鈦合金和M100鋼的3D打印技術(shù)已廣泛用于新機設計試制過程。報道稱,，于去年10月至11月首飛成功的機型,，廣泛使用了3D打印技術(shù)制造鈦合金主承力部分，包括整個前起落架,�,！�2002年，3D打印技術(shù)剛萌芽時,，我們就進行相關技術(shù)研發(fā),，通過與北航的合作，目前已具備一定產(chǎn)業(yè)能力,�,！�8 ~/ W6 [4 f2 w0 W/ U7 s1 D
同時擔任“鶻鷹”飛機(殲-31)總設計師的孫聰透露另一個好消息，希望“鶻鷹”飛機未來和殲-20進行高低任務搭配,，保持持續(xù)打擊能力,，同時也希望“鶻鷹”的改進版能成為中國下一代艦載機。相信在3D打印技術(shù)的支持下,，這一天也會很快到來,。
l. e2 n5 v& S4 z+ \, o美國空軍敏銳抓住“3D打印”3 q' j$ m: e/ T& Y \* J
用3D打印技術(shù)制造戰(zhàn)機，中國并不是第一家,。1984年,，美國開發(fā)出從數(shù)字數(shù)據(jù)打印出3D物體的技術(shù)，并在2年后開發(fā)出第一臺商業(yè)3D打印機,。之所以叫“打印機”,，是因為它借鑒了打印機的噴墨技術(shù)，只不過,，普通的打印機是在紙上噴一層墨粉,，形成二維(2D)文字或圖形，而3D打印則能“打”出三維的立體實物來,。
) B- C: \$ I0 h1 s( b6 q. \以一個手電筒為例,，3D打印機能通過電腦將手電筒進行立體掃描，創(chuàng)建三維設計圖,，之后對這個立體原型進行“切片”,，分成一層一層的，之后,，打印機就將原材料按照設計圖一層一層地“噴”上去,，直到最終造出一個手電筒來,，只不過3D打印機噴出的不是墨粉，而是融化的樹脂,、金屬或者陶瓷等材料,。
3 C; b% T) w. Z: m( o" U r% E傳統(tǒng)數(shù)控制造主要是“去除型”，即在原材料基礎上,，使用切割,、磨削、腐蝕,、熔融等辦法,，去除多余部分，得到零部件,，再以拼裝,、焊接等方法組合成最終產(chǎn)品，而3D打印則顛覆了這一觀念,，無需原胚和模具,，就能直接根據(jù)計算機圖形數(shù)據(jù)，通過一層層增加材料的方法直接造出任何形狀的物體,，這不僅縮短產(chǎn)品研制周期,、簡化產(chǎn)品的制造程序，提高效率,，而且大打降低了成本,，因此被稱為“增材制造”。
2 t) o- `* {* X3 B9 g }1 L) _美國空軍一下子就被這種新技術(shù)吸引,，他們認為,，如果將這種技術(shù)用在武器制造上，產(chǎn)生的威力將是驚人的,。在航空工業(yè)上廣泛被使用的一種金屬是鈦,，它的密度只有鋼鐵的一半，強度卻遠勝于絕大多數(shù)合金,，如果通過激光將鈦熔化并一層層噴出飛機來,，無疑將大大提高美國戰(zhàn)機的制造速度。為此,，1985年,，在五角大樓主導下，美國秘密開始了鈦合金激光成形技術(shù)研究,，1992年這項技術(shù)才公之于眾,，在2002年，美國已將激光成形鈦合金零件裝上了戰(zhàn)機。
$ B3 u, v$ x- v不過,，由于在制造過程中鈦合金變形,、斷裂的技術(shù)難題無法解決，美國始終無法生產(chǎn)高強度,、大尺寸的激光成形鈦合金構(gòu)件,。2005年，美國從事鈦合金激光成型制造業(yè)務的商業(yè)公司Aeromet由于始終無法生產(chǎn)出性能滿足主承力要求的大尺寸復雜鈦合金構(gòu)件,，沒能實現(xiàn)有價值的市場應用而倒閉。美國的其他國家實驗室也無法攻克這一難題,，只能進行小尺寸鈦合金部件的打印或進行鈦合金零件表面修復,。' }! e: V% [ m+ W8 L$ U7 c
中國領跑神奇的“3D打印”
: m) t( V9 K1 z9 p: x$ S$ z' E中國的鈦合金激光成形技術(shù)起步較晚，直到1995年美國解密其研發(fā)計劃3年后才開始投入研究,。早期基本屬于跟隨美國的學習階段,，不過卻后來居上，其中,，中航激光技術(shù)團隊取得的成就最為顯著,。“觀察者網(wǎng)”文章表示,，早在2000年前后,，中航激光技術(shù)團隊就已開始投入“3D激光焊接快速成型技術(shù)”研發(fā)，解決了多項世界技術(shù)難題,、生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)復雜,、尺寸達到4米量級、性能滿足主承力結(jié)構(gòu)要求的產(chǎn)品,。- e! x9 i+ h! B4 Z2 W/ `3 A/ `
目前,，中國已具備了使用激光成形超過12平方米的復雜鈦合金構(gòu)件的技術(shù)和能力，成為目前世界上唯一掌握激光成形鈦合金大型主承力構(gòu)件制造,、應用的國家,。在解決了材料變形和缺陷控制的難題后，中國生產(chǎn)的鈦合金結(jié)構(gòu)部件迅速成為中國航空力量的一項獨特優(yōu)勢,，目前,，中國先進戰(zhàn)機上的鈦合金構(gòu)件所占比例已超過20%。0 s& H8 i! m, O
如果與傳統(tǒng)制造技術(shù)做一個對比,，就會對中國近年新飛機接連亮相的原因有個大概了解,。傳統(tǒng)鈦合金零件制造，主要依靠鑄造和鍛造,，其中鑄造零件用于大尺寸制造,，美國F-22戰(zhàn)機的主要承力部件便是大型鑄造鈦合金框，但鑄造的零件重量較大且無法加工成精細的形狀,；鍛造切削精度較好,，但零件制造浪費嚴重,，原料的95%都會被作為廢料切掉。讓飛機制造商頭疼的是,，由于受到機器的限制,，鍛造鈦合金的尺寸也不能過大。3萬噸大型水壓機只能鍛造不超過0.8平方米的零件,，即使世界最大的8萬噸水壓機,，鍛造的零件尺寸也不能超過4.5平方米。而且這兩種技術(shù)都無法制造復雜的鈦合金構(gòu)件,，而焊接則會遇到可怕的鈦合金腐蝕現(xiàn)象,。
6 Y# V, P: N% B4 S激光鈦合金成形技術(shù)則完全解決了這一系列難題，它節(jié)約了90%的昂貴的原材料,，還不需要制造專用模具,，原本相當于材料成本1-2倍的加工費現(xiàn)在只需原來的10%。加工1噸重的鈦合金復雜結(jié)構(gòu)件,，傳統(tǒng)工藝成本大約2500萬元,，而激光3D焊接快速成型技術(shù)的成本僅130萬元左右，僅是傳統(tǒng)工藝的5%,。$ v" l4 U2 R, n* P' c5 D( z* O
更重要的是,，許多復雜結(jié)構(gòu)的鈦合金構(gòu)件可以通過3D打印的方式一體成型，不僅節(jié)省了工時,，還大大提高了材料強度,。“觀察者網(wǎng)”文章表示,，美國F-22戰(zhàn)機的鈦合金鍛件如果使用中國的3D打印技術(shù)制造,，在強度相當?shù)那闆r下，重量最多可減少40%,。文章表示,，在航空領域，在中航成飛和沈飛的下一代戰(zhàn)斗機設計研發(fā)中,，激光鈦合金成形技術(shù)已得到廣泛運用,。通過這一技術(shù)，正在研制的兩型第五代戰(zhàn)斗機殲-20和殲-31采用鈦合金的主體結(jié)構(gòu),，成功降低了飛機的結(jié)構(gòu)重量,，提高了戰(zhàn)機的推重比；沈飛在一年之內(nèi)連續(xù)組裝出殲-15,、殲-16,、殲-31等多型戰(zhàn)斗機并試飛，很大程度上得益于鈦合金3D打印的低成本和快速、便捷,。
" s2 t4 x$ J- a! I9 p" r2 h, K此外,，中國民用航空制造業(yè)也開始應用這一技術(shù)。在西北工業(yè)大學凝固技術(shù)國家重點實驗室下設的激光制造工程中心,，通過激光立體成型技術(shù)為將于2014年投產(chǎn),、2016年投入運營的國產(chǎn)客機C-919制造了鈦合金翼梁，長度超過5米,。除制造外,，這些部件即使出現(xiàn)問題，也可以使用同樣的技術(shù)進行修復,，而無需重新制造,，這將可以節(jié)省大量用于更換受損部件的費用。憑借激光鈦合金成形技術(shù),，中國在航空材料科學領域第一次走在了世界先進水平的前列，正因為如此,，今年1月18日,，國務院向“飛機鈦合金大型復雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”頒發(fā)國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎。
5 h7 r0 @/ d* l; V! x■“3D大戰(zhàn)”真的來了 _3 Z& R& x; [( G, B/ K3 ?
中國在鈦合金3D打印技術(shù)上的突飛猛進,，使該領域的先行者美國甚為著急,。今年1月14日，美國Sciaky公司宣布,，他們已成功掌握了突破性的直接制造技術(shù),，使用電子束進行鈦合金3D打印，制造的零件尺寸可以達到5.8米×1.2米×1.2米,。
% g" @7 O& |( @2 w1 U0 S/ uSciaky表示,，自己找到了一種比激光更厲害的能量源：電子束。利用功率高達42千瓦的電子束槍,，Sciaky的3D打印機可達到超高速,，每小時能打印15-40磅金屬鈦，而大多數(shù)競爭者僅能達到每小時5磅,。從數(shù)據(jù)上看,，這一打印速度和零件尺寸已超過中國。不久前,，中國西北工業(yè)大學剛用鈦合金激光3D打印技術(shù)生產(chǎn)了長度為5米的飛機主承力梁,，而中航3D激光打印技術(shù)則可打印4米×3米×2米的零件，雖在長度上不如美國,，但在面積上仍領先美國,。
/ l# \/ v; z" M; }$ G' e美國空軍和軍工巨頭洛克希德·馬丁公司立即宣布，與 Sciaky加強合作，用該公司生產(chǎn)的襟副翼翼梁裝備正在生產(chǎn)的F-35戰(zhàn)斗機,。據(jù)估計,，如果3000多架戰(zhàn)機都使用這種技術(shù)制造零部件，不僅大大提高“難產(chǎn)”的F-35戰(zhàn)機的部署速度,，而且還能節(jié)省數(shù)十億美元成本,。目前，使用3D打印鈦合金零件的F-35已經(jīng)進行了試飛,。- r# C) q' R% C, _8 Y/ b4 ?1 C
“3D大戰(zhàn)”的“戰(zhàn)火”已蔓延至太空,。2012年7月，美國太空網(wǎng)透露,，美國宇航局(NASA)正在測試新一代3D打印機,，可以在繞地球飛行時制造設備零部件，并希望把這種打印機送到火星上,。早在2002年,，NASA就研制出3D打印機，能按要求在短短幾小時內(nèi)為建筑物組件或工具制造金屬零件,。不過,，由于打印機有些笨重，NASA一直在進行改進,。一旦成功,，這對美國的太空霸權(quán)無異于如虎添翼。宇宙飛船里可謂真正的寸土寸金,，一旦飛船上面的某個零部件壞了,，想換一個新的非常困難，而攜帶備用零件的話會增加飛船體積和重量,。飛船升空時帶上一臺3D打印機,，宇航員們就只需攜帶所需的金屬絲物料，不用攜帶零部件成品,，節(jié)省空間的同時減輕了負載,，更重要的是，他們幾乎可以按需打印任何物品,，上太空時,，也無需擔心發(fā)射時遺漏物資和設備。$ D: q! p4 p: I* H i3 O
這一消息讓另一航天大鱷——歐洲有些坐不住,。今年2月初,，歐洲航天局宣布，將利用3D打印技術(shù)在月球上建立首個人類基地,，據(jù)英國《每日郵報》報道,，歐洲航天局計劃讓機器人攜帶3D打印機“空降”到月球上,，它們將就地取材，利用3D打印技術(shù)將月球上的原始土壤轉(zhuǎn)變成建筑材料,。歐洲航天局表示,，月球基地建筑材料的90%都可能實現(xiàn)就地取材。歐洲太空專家表示,，一切進展順利的話,，該月球基地有望在未來40年內(nèi)投入使用。+ |5 r4 y0 u" u" M6 t' f; ~6 U
對于各個大國來說,，在這場“3D大戰(zhàn)”中的輸贏可能決定未來的命運,。與航空航天業(yè)相比，3D技術(shù)早已在其他工業(yè)制造,、生物醫(yī)療,、建筑工程、個人化定制等領域廣泛應用,。由于只需要一張三維圖就可以“制造任何東西”,，如果3D打印機進入家庭，每個人都可以是一家工廠,。英國《經(jīng)濟學人》雜志認為3D打印技術(shù)將“與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一起推動實現(xiàn)第三次工業(yè)革命”,，整個世界的制造業(yè)與物流格局都會因此被徹底顛覆。
; z* n9 |% J# i& U4 R, V+ |) h美國已將3D打印視為再次奪回制造業(yè)大國地位的重要技術(shù),。據(jù)《經(jīng)濟日報》報道,，2011年,，中國在工業(yè)規(guī)模上壓倒美國,，成為世界第一工業(yè)國。此前只有英國和美國兩個世界霸主曾占據(jù)這一位置,。雖然美國依然有發(fā)達的金融業(yè)和強大的軍隊,，但還是有不少美國人擔心美國會因此衰落，而與中國廉價勞動力競爭的一個途徑就是通過改進制造技術(shù),，提高生產(chǎn)率,，通過一臺臺3D打印機，將那些制造業(yè)從中國工人的手上奪回去,，打破中國“制造大國”的地位,。9 r) I1 ^0 h; e% e+ o) A5 X
《湖北日報》表示，在即將到來的第三次工業(yè)革命這一歷史時刻,，中國如果趕不上,、抓不住機會，良好發(fā)展態(tài)勢可能會受到影響,，就像當年英國人用紡織機“打敗”中國,、印度的手工織品一樣,。面對歐美咄咄逼人的攻勢，中國必須增強憂患意識,。令人欣喜的是,，在這場“3D大戰(zhàn)”中，發(fā)達國家目前雖有優(yōu)勢,，但我們的差距并不大,，如果中國及時重點布局，完全可能“彎道超車”,。 |
發(fā)表于 2013-3-15 13:58:29
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