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中国航天3D打印研究中心总经理支海波博士讲述航空航天领域的3D打印

2019-11-13 20:50:17 AutoSpy.cn

2018年2月6日,全世界都在为伊隆·马斯克(Elon Musk)这位疯狂的科技达人欢呼,他创办的私人火箭公司SpaceX终于将世界最强大现役运载火箭“猎鹰重型”(Falcon Heavy)成功发射至太空。而你不知道的是“猎鹰重型”设计其实是基于“猎鹰9号”的机身和发动机,而“猎鹰9号”火箭上含有大量的3D打印零件,甚至包括关键的零部件氧化剂阀体。

不只是SpaceX,美国航空航天局(NASA)、GE、Rocket Lab等在航空航天领域走在最前沿的科研单位都已经成为了3D打印技术的忠实拥趸,并且成果卓然。3D打印为何能在航天航空这种高科技领域搅动波澜?《3D打印世界》杂志与中国航天3D打印研究中心总经理支海波博士进行了对话,带你走进航空航天3D打印的世界。

《3D打印世界》:支博士,请您介绍一下中国航天3D打印研究中心成立背景。

支海波博士:2014年,3D打印在国内迅速发展,尤其是在航空航天的应用给3D打印的市场开拓带来了很大的空间,解决了很多原有制造方法所不能解决的问题,也使业内人士越来越认识到3D打印在航空航天行业未来应用的无限可能性。鉴于当时的形势以及为了适应航天产品制造越来越多的需求,并整合优化集团内部技术和应用资源。航天科技集团决定由集团内智能制造整体解决方案提供商——北京神舟航天软件技术有限公司具体承担中国航天3D打印研究中心的建设,具体运营由南京神舟航天智能制造有限公司负责,考虑到共同开发市场以及扩大应用层面的需要,同时联手航天晨光股份有限公司共同组建中国航天3D打印研究中心,主要为航天航空等军工行业提供3D打印服务,同时也为社会其他行业提供服务。

中国航天3D打印研究中心在南京市政府及南京未来科技城的大力支持下于2014年12月8日正式揭牌,经过半年多的筹建,于2015年7月正式运行。目前中心拥有金属打印机(SLM)、光固化打印机(SLA)、砂型打印机(3DP)、大中小FDM打印机以及陶瓷、蜡型打印机等3D打印设备,形成了比较完整的3D打印设备群,并在连续纤维增强热塑性复合材料大型航天整体结构件的增材制造技术及装备方面进行了一系列的研究,并取得了初步的成果。本中心拥有一支训练有素,团结高效、结构合理的运行团队,以及由国内3D打印行业知名专家组成的学术委员会,为中心的顺利运行提供了有力的技术保障。我目前担任中心总经理,负责中心全面工作。

中国航天南京神舟航天智能科技有限公司

暨中国航天3D打印研究中心总经理 支海波博士

《3D打印世界》:据了解,航空和航天其实是两个有区别的概念,在航天这个领域里,研究中心目前最主要的工作是什么?3D打印在其中发挥着怎样的作用?

支海波博士:严格的来讲,航空航天确实是两个不同的行业,我本人的大学专业就是飞机制造,后来才转到航天,所以对航空航天的认识可能会更深刻一些。

尽管这两个行业有区别,但是都是以飞行器产品为主业的行业,因此既有很多的共性,也有很多不同的方面。但是对零部件的高强度、高刚度、高疲劳寿命等性能要求都是一致的,而且最难的就是要尽量地轻,这些要求本身就是相互约束和矛盾的,要解决的这些问题也是航空航天领域面临的难题。本中心的主要任务就是要用3D打印这一新的加工方法同时配合传统的减材、等材加工方法来解决复杂航天产品零部件的制造难题,解决以前传统加工方法无法解决的制造难题。同时希望在3D打印这一全新制造技术的支撑下,我们的航天设计师能设计出符合功能要求的、经过拓扑优化设计的航天产品零部件,从而使航天器更轻、结构更优化、性能更好、成本更低,同时研制周期大大缩短,满足日益增长的航天市场需求。

《3D打印世界》:从大方向讲,3D打印主要应用在航天的哪些方面?它为航天产业带来了什么样利好的消息?

支海波博士:目前3D打印在火箭、卫星、飞船、导弹等航天器的制造方面均有应用,未来也可能会应用在空间站的维护方面,实现太空在轨制造。目前这些应用有些已经实现,有些还正在研究试验阶段,3D打印制造技术的应用,为航天器飞得更高、飞得更轻松、飞得更安全提供了强有力的技术保障,使我们能够得到性能更好、成本更低的航天器。

《3D打印世界》:在国外,像3D打印的前瞻性实验研究或者实际应用都比较多,像3D打印卫星、3D打印火箭引擎中的某个零件等等,在您的印象中,目前最具有技术代表的实际应用案例是哪一个,原因是什么?

支海波博士:我的印象中,在航天领域实际应用的案例还是大家都熟悉的美国GE公司用3D打印制造技术成功制造出火箭发动机中燃油喷嘴的案例,这个案例也被无数次提到,是一个3D打印实际应用的经典案例。这个案例完美的利用了3D打印的技术特点。

让产品设计师在进行飞行器中的复杂零部件设计时有了更大的发挥空间。设计师由过去以考虑零部件的可制造性为主,转变为增材设计思维下的实现零部件功能性为主,可以让打印部件达到传统方式无法达到的薄壁、尖角、悬垂、圆柱等形状的极限尺寸。以前的喷油嘴由于受到传统制造技术的限制,喷油嘴是包括通过焊接组合在一起的三个部分,不仅无法避免焊接具有的缺陷,而且会使喷油嘴的重量增大。而使用金属3D打印技术制造喷油嘴,则设计师可以将喷油嘴设计优化为一体的零件,减少了很多零件和组装工序,这有利于零部件自身的轻量化和性能的提升,也大大节省了制造成本和制造时间,极大地提高了制造质量。像这样类似的一体化结构实现使得传统的组装工作变得不再需要。由于这个零件的成功制造使得GE在3D打印技术应用方面大大的提速,目前GE在大规模的应用3D打印的同时还收购了德国CONSEPT LASER 公司和瑞典ARCAM公司,进军设备制造业,充分说明了GE对3D打印技术的发展和应用充满了很大的信心。

《3D打印世界》:在我国,航天方面鲜少有传出3D打印的应用案例,目前国内这方面的具体情况是怎样的?

支海波博士:由于行业保密的特点,因此很多航天方面的3D打印应用报道不多。实际上中国航天科技集团一院、五院、六院、八院和航天科工三院等航天单位都已经开展了3D打印的应用,并在实际应用中取得了很大的进展。

《3D打印世界》:国外早在几年前就将3D打印机送上太空,对于希望用3D打印来实现 “太空制造”,你如何看待这一趋势?

支海波博士:早在2014年,NASA就已经将适合真空环境下运行的3D打印机送入空间站进行了一系列的试验,打印出了一些零件并送回地球进行性能测试,但是测试的结果如何?是否能满足产品的性能要求?没有看到后续的报道。太空3D打印打印一定是未来实现太空制造的关键技术,也可能是太空产业化的关键所在。3D打印技术的独特技术特点以及可设计性让未来太空产品制造充满了可能性,总之,我个人认为3D打印技术一定会为未来实现太空制造提供更多的技术支撑,当然实现这个目标还有很多问题要解决,也要经过相当长一段时间的研究和应用才有可能实现这一目标。

据我所知,目前国内还没有研制出可实际应用的太空3D打印机。

《3D打印世界》:中国航天3D打印研究中心既有进口的EOS的金属打印设备,也有国产的铂力特的设备,您如何评价这两家设备的优劣势?也请谈谈中外航天领域在3D打印存在哪些差距?

支海波博士:我们是国内第一批使用铂力特国产金属3D打印设备的单位,如果从性价比来看,铂力特设备是占有优势的,但是毕竟国产设备历史很短,从铂力特2014年11月在国内率先推出第一台商用金属3D打印设备到现在才3年多时间,和EOS这样的老牌国外公司相比在各方面还是存在一定的差距,可喜的是,目前这种差距越来越小,我认为假以时日,包括铂力特在内的国产设备制造厂商所生产的金属3D打印设备一定会赶上甚至超过像EOS这样的外国公司所生产的设备的。而且从目前我个人的经验来看,铂力特应该是国内最好的金属3D打印设备。

至于中外航天在3D打印技术方面存在的差距,我认为还是在应用范围的广度和深度方面,还有就是国内航天部门还存在着资源分散,各自为阵的局面,如果联合起来可能会更好的推动3D打印在航天方面的应用,同时也建议更多地联合行业外的单位一起来推动在航天领域的应用研究和实践。

《3D打印世界》:您如何看待3D打印这一技术?国家在这方面支持力度如何?

支海波博士:3D打印制造技术作为传统制造技术的有力补充,已经在近年来的实际应用中显示出强大的作用,有望颠覆传统的设计思维和理念,我个人认为在制造技术方面是革命性的,特别是3D打印技术解决了以前很多根本没有办法解决的问题,使设计师在设计产品时无需考虑产品的可制造性,也就是我们常说的工艺性问题,而只需考虑产品的功能需求,真正实现“所想即所得”,“设计更自由,制造更简单”。

从近四年来的3D打印行业的发展来看,越来越多的企业都开始重视3D打印技术的发展,很多大公司、大资本都在进入这一行业,整个行业面临着重新洗牌和整合。这既是可喜的,也有点令人担忧,在3D打印应用市场尚在培育初期,还没有完全全面快速增长的情况下,大量的企业和资本都涌入这个行业,可能会影响这个行业的正常、理性的发展。因此希望大家能理性地看待3D行业的发展,谨慎、全面地考虑进入3D打印行业的可行性,理性对待发展,而不是不加充分地调研分析一哄而上,希望大家共同维护好3D打印行业市场的长期、稳定健康的可持续性发展。

国家从2016年到2018年连续三年,花费数亿元启动了增材制造重大研发专项的资助计划,也在西安成立了国家增材制造创新中心,同时各省市也对3D打印进行了一系列的经费资助,这些举措对3D打印技术的发展起到了很好的推动作用。但是我认为3D打印技术还有很多基础工作有待完善,如:标准的制定,医用3D打印产品的取证等等,这些基础工作发展的快慢将决定3D打印技术应用的步伐,而我们现在最最需要去做的就是要充分挖掘3D打印的应用需求。

本文来源于《3D打印世界》第37期,转载请注明来源

180页3D打印行业应用白皮书(2018)





今天刊登了《中国航天3D打印研究中心总经理支海波博士讲述航空航天领域的3D打印》一文


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