3D打印制造飞机零件

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中航工业用3D打印制造飞机零件


　　从几厘米到几十厘米高的弯曲金属板上，布满了一个个带有斜角度的小格子，这种被称为“格栅”的金属件是飞机上的零件。成品看似简单，制造却不一般——3D打印出来。因为它们的弯度和小格子的角度是传统机械加工不能完成的。

　　设计并加工出这种特殊零件的是中航工业北京航空制造工程研究所高能束流加工技术重点实验室的一群年轻人，平均年龄30出头，各个专业部门的负责人也都只有三十五六岁。他们完成的一个高420毫米的零件，是世界上至今能够打印的最大钛合金飞机零件。

　　这项被通俗地称为3D打印技术的“增材制造技术”，是把金属合金粉一层层铺好，用激光按照设计的路线进行高温熔化，使零件一层层被打印出来，一个零件要打印上万层。从10多年前开始涉足这项国际前沿技术，到今天站到了同领域的国际最高点，项目负责人锁红波说，这要归功于实验室的领头人——中航工业特种加工技术首席专家巩水利。

　　今年6月，巩水利获得了2013年布鲁克奖，这个被誉为国际焊接界诺贝尔奖的奖项，继9年前授予中国工程院关桥院士后，第二次颁给了中国人。打印钛合金飞机零件的“增材制造技术”，就脱胎于巩水利所攻克的激光焊接。

　　“10年前，巩主任让我开始研究这项技术时，我还不太理解，因为当时国外也只是研究阶段，文献很少。”这个项目开始时只有锁红波一个人摸索，软件、设备、材料等一切都是零，难度可想而知。锁红波不止一次想放弃，但都被巩水利“逼”着干下去，“巩主任三天两头到实验室来找我要数据”。

　　试验慢慢做起来，有些试验只要一开机，就要连续上百个小时做下去，这种时候锁红波就会泡在实验室。试验失败是常态，有时一个环节出问题，整个加工件就会报废。巩水利说：“如果都成功了，还要研究所干什么。”

　　2009年9月13日，锁红波清楚地记得这一天，经过3天3夜的连续工作试验，第一个零件被打印出来了。

　　不过，为了技术问题，锁红波和巩水利不知吵了多少回。最大的一次分歧发生在2010年，当时国际上生产最大的“格栅”底座直径是250毫米，锁红波和自己的团队成员决定做280毫米的，而巩水利要求他们做500毫米的，锁红波坚决不同意，巩水利急了：“没试怎么知道不成，要干就要做最先进的！”

　　经过几轮的争执，最后双方都让步，顺利做成了350毫米的，遥遥领先国际同行。“没有巩主任的坚持，我们不可能做下去。”锁红波很佩服巩水利的技术眼光，“他经常看文献，对技术前沿非常敏感，看准了一个方面，就想方设法去实现”。

　　2003年，巩水利了解到，美国波音公司的A318客机的机身实现了用激光焊接，代替过去的铆接，这一项技术减轻了机身重量近20%，降低制造成本20%左右。

　　“激光焊技术将会促进传统航空制造业的改造升级。”当时，40岁不到的巩水利已经在焊接行业小有建树，他敏锐地意识到这一信息的重要意义。之后，他迅速申请多项预研课题，并创造性地提出了双光束激光焊接的设想。

　　在项目基础研究阶段，试验屡遭失败，研究团队成员纷纷对技术的可行性提出质疑。巩水利承受着压力，但没有想过放弃：“这是航空焊接的大革新，只要踏踏实实做好每次试验，认真研究总结分析，就一定能成功。”

　　有一两年时间，巩水利几乎没有休息过，晚上睡在在试验现场是常事，有时其他同事早上8点多来上班，他刚下班，回去休息一下，中午又出现在实验室。他带领同事记录好每一次的试验数据，围绕试验中出现的特殊现象观察、研究，并定期召开团队会议，通过平等交流、广泛讨论，产生新的思路。同时，他还要去说服领导，争取资金支持，因为试验件的成本很高。

　　经过上千次的试验，预研有了重大突破，双光束激光焊接的优越性体现出来：不变形，表面光滑，焊缝内部没有缺陷。之后，这项技术被用于某型号飞机，实现了机身减重、连接强度提高、表面光滑飞行阻力减少的目标。

　　之后，巩水利又带领年轻同事攻克了多项关键技术，研制出了双光束激光复合焊接装置，建立了国内首个大功率双光束激光焊接平台，并首次成功应用于航空带筋壁板关键结构件的焊接制造中。

　　从几年前单一的激光焊接，巩水利的团队已经开发掌握利用电子束、激光束、等离子束作为焊接热源进行熔化焊接的一系列技术。曾不愿与巩水利做深入交流的国际同行，如今主动邀请他深入合作。

　　现在，巩水利又在关注下一个技术前沿：利用超快激光技术完成对飞行器部件的一体化制造，不仅结构复杂的部件能够一次加工成型，他们还用激光对这些部件的表面进行处理。

　　“这其实是一项仿生技术，经过纳米级激光处理，可以让飞行器形成像荷叶一样的表面，不沾水，在空气中阻力最小。”37岁的马国佳博士是这项技术的研发负责人，他仍记得自己几年前刚到所里的情形，巩水利第一次见面就问他发了多少论文，这让马国佳很受触动：“他关注基础研究，我想这是我们这个团队成功的重要因素之一。”