近年來3D打印技術(shù)為人們所熟悉，它又被稱為“快速成型技術(shù)”或“增材制造技術(shù)”，誕生于上世紀(jì)80年代末，主要是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過材料疊層添加構(gòu)造三維物體的變革性、數(shù)字化增材制造技術(shù)。并逐漸成為一種新興的制造方式，很多國家，包括美國、德國等都高度重視并積極推廣應(yīng)用該技術(shù)。德國西門子公司近日完成了渦輪葉片的3D打印，并將此葉片安裝在發(fā)動機(jī)中進(jìn)行了滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，由于葉片工藝復(fù)雜、加工精度要求高、制造難，價(jià)格昂貴，這次用3D打印葉片標(biāo)志著3D打印制造的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了又一次重大突破。
西門子此次制造的葉片是通過在CAD中分層構(gòu)建模型，然后分層制作再進(jìn)行組合，完成零件的制造。材料使用的是多晶鎳合金的粉末，這種材料能夠耐高溫高壓，承受旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的巨大離心力。在試驗(yàn)中，轉(zhuǎn)速高達(dá)1.3萬轉(zhuǎn)/分鐘，時(shí)速高達(dá)1600千米，溫度超過一千度，葉片上所承受的離心力超過10噸。
在航空發(fā)動機(jī)中葉片的加工工作量約占整個(gè)加工工作量的30%一40%。發(fā)動機(jī)葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，葉片型面為空間列表曲面。葉片在工作中要承受復(fù)雜應(yīng)力和微震動，這樣對葉片材料、機(jī)械加工工藝、熱處理及表面噴涂工藝都有極高的質(zhì)量要求。加上航空發(fā)動機(jī)研制過程中為了滿足設(shè)計(jì)要求,葉片的設(shè)計(jì)改動比較頻繁，這對葉片的加工工藝和加工進(jìn)度提出了特殊要求。而葉片加工的周期和質(zhì)量直接影響到航空發(fā)動機(jī)的研制周期。
據(jù)西方資料使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)航空發(fā)動機(jī)將有望降低50%的制造成本，并大幅縮短生產(chǎn)和交付時(shí)間。過去通過傳統(tǒng)工藝研制渦輪葉片的樣件需要3年的時(shí)間，而如果采用了3D打印技術(shù)則僅需短短9周，和過去相比為整個(gè)供應(yīng)鏈節(jié)約了70%的時(shí)間。
與傳統(tǒng)工藝模式不同，3D打印技術(shù)集概念設(shè)計(jì)、技術(shù)驗(yàn)證與生產(chǎn)制造于一體。這必將極大縮小航空產(chǎn)品從“概念”到“定形”的時(shí)間差，從而加快航空產(chǎn)品的更新周期。傳統(tǒng)的航空產(chǎn)品生產(chǎn)中，很多產(chǎn)品通過切割、機(jī)械加工等工序，除去多余部分形成零部件，然后被拼裝、焊接成產(chǎn)品。這一過程中，將有90%的原材料被浪費(fèi)掉；與傳統(tǒng)工藝不同3D打印技術(shù)的航空產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，可直接根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)通過層層增加材料的方法“打印”出航空產(chǎn)品，按需取材，整個(gè)生產(chǎn)過程幾乎沒有浪費(fèi)。
據(jù)了解，深圳某科技有限公司已經(jīng)將高精度光固化3D打印技術(shù)應(yīng)用到復(fù)雜空心葉片鑄型的制造工藝中，可控制數(shù)百萬紫外光束同時(shí)成型，并保證成型精度達(dá)20微米級別，有望為發(fā)動機(jī)定向/單晶葉片生產(chǎn)用陶瓷鑄型一體化成型提供創(chuàng)新之路。現(xiàn)在我國在航空發(fā)動機(jī)葉片制造技術(shù)領(lǐng)域既面臨著難得的機(jī)遇，也承受著巨大的挑戰(zhàn)。而將金屬3D打印技術(shù)引入航空發(fā)動機(jī)零部件制造領(lǐng)域，可響應(yīng)快速制造需求，對提升我國發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)與制造能力具有重要意義，有望解決戰(zhàn)機(jī)心臟病這一老大難問題。
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