中文版
EngLish
 
魔变3D:助力中国航天——专访国防科技工业航天特种构件增材制造技术中心主任杨欢庆
www.c-nin.com 2018-1-3 西北有色金属研究院

说起3D,普通民众的体验更多来源于影院,戴上3D眼镜,观看电影,眼前的立体画面使人身临其境。这是现代科技赋予电影的神奇与魔变。

3D打印技术,将设计人员在电脑上设计图样数据传递的“命令”,通过特制的3D打印机把传统工艺无法加工或很难加工的复杂结构金属或非金属产品立体打印出来,实现了产品的直接制造,被英国《经济学人》杂志称为“第三次工业革命的重要标志”。这是现代科技赋予制造业的神奇与魔变。

3D电影的“魔变”,3D打印技术的“魔变”,让人们感受到来自科技革命神奇的“魔变”。近日,在中国航天科技集团公司第六研究院西安航天发动机厂,记者专访了航天科技集团公司增材制造技术带头人、国防科技工业航天特种构件增材制造创新中心主任杨欢庆研究员。1970年出生的他已主持和组织完成了10多项装备发展部、国防科工局以及集团公司级重大项目和课题。通过他的讲述,我们了解了3D打印技术的前世今生,了解了以航天六院为代表的航天人在3D打印技术上的探索和实践。

动力之乡赫赫名

坐落于西安城南少陵塬上的中国航天科技集团公司第六研究院,是我国航天液体推进技术的专业研究院,提供了从火箭、卫星到载人飞船上几乎所有的液体火箭发动机,被誉为中国航天的“动力之乡”。所属西安航天发动机厂是我国唯一的大型液体火箭发动机专业研制生产厂,承担着我国常规液体火箭发动机和新一代液氧/煤油高压补燃发动机等一系列液体火箭发动机的研制生产,先后完成了以探月工程、载人航天、北斗导航等为代表的各项宇航发射任务,取得了举世瞩目的骄人战绩。工厂突破了以液氧煤油发动机为代表的尖端航天动力技术,成功研制出新一代无毒无污染火箭发动机,使我国成为世界上第二个掌握液氧煤油高压补燃发动机技术的国家,为我国新一代运载火箭的研制奠定了坚实基础。

西安航天发动机厂以航天报国为己任,以科技进步为依托,先后获得100余项国家和省部级科技成果奖,多项产品荣获国家金奖和全国科学大奖。技术的进步来源于不断的创新,工厂紧密跟踪先进制造技术发展,运用3D打印的“魔变”之力,在科技革命的浪潮中示范引领前行,实现了制造技术的持续更新迭代,推进了液体动力技术革新的跨越,助力中国航天由“大”到“强”的嬗变。

小小蜡模说3D

采访那天是星期六,细雨纷飞。办理好登记手续,记者进入到西安航天发动机厂采访。雨后的厂区道路整洁,花草翠绿,空气清新。

杨欢庆和他带领的年轻技术团队接受了记者的采访。这个平均年龄不到35岁的团队虽然年轻,却蕴藏着很强的实力,是一只能打硬仗,敢打硬仗的科研团队。亲和、健谈的杨欢庆主任,说起3D打印技术来,他的话匣一下打开了,没有一丝领导的架子,给我们的采访赋予了“嫦娥奔月”般的新奇与好奇。

他说,从全世界范围来讲,3D打印技术应该是从上世纪80年代开始兴起,受限于当时计算机技术的限制,发展比较缓慢,进入21世纪后技术进步为其带来了迅猛的发展。3D打印技术种类很多,从使用原材料上说,分为金属3D打印和非金属3D打印。金属3D打印主要包括激光选区熔化成形、激光熔化沉积、电子束熔化成形等,非金属3D打印则包括选择性激光烧结、光固化成形、熔融挤压成形等,且种类还在不断增加。

西安航天发动机厂是国内较早将3D打印技术应用于产品研制的企业。早在2000年前后就采用选择性激光烧结成形技术制造出了复杂精密铸件蜡模,为我国新一代液氧煤油发动机的顺利研制提供了技术保障。由于液体火箭发动机铸件结构极为复杂,多为空间三维异型曲面,采用传统手段难以快速制备蜡模,3D打印技术将“三维”转化为“二维”成形,通过逐层叠加的方式得到了复杂精密铸件蜡模原模,从而实现了发动机零部件的快速、批量生产。

杨欢庆说,3D打印技术应该可以说是从蜡模原型演绎而来的。不管金属的还是非金属的都需要模具的直接成形。3D打印技术的优势在于数字化,可以实现设计输入的即时响应、修改和成形,避免了过去模具的固定化弊端和实体模具的浪费。

十余年选择性激光烧结复杂铸件蜡模工艺的经验及积累使西安航天发动机厂在源头就奠定了航天3D打印技术应用研究的先发优势,这也是现在工厂能够在军工企业单位中起到示范引领作用的主要原因。

3D“魔变”助航天

采访中,杨欢庆介绍了目前西安航天发动机厂3D打印技术的研究与应用进展。他讲到,中国的金属3D打印技术在2012年前后才由高校开始研究引入,然后逐渐进入企业。我们在2013年就进入了金属3D打印行业,并与一些优势高校开展了深层次的技术交流与探讨。通过调研交流,感受到这一技术的发展必将能解决当前精密复杂构件,尤其是许多“急、难、险、重、新”类型的构件成形难题,让许多不可能在金属3D打印技术“魔变”中变成了可能。

记者参观了西安航天发动机厂增材制造中心。刚进入现场,“道道激光扫描精确轨迹,层层颗粒凝结完美品质”20个大字即映入眼帘,生动诠释了3D打印技术的内涵,也传递出航天人对完美品质坚持不懈的追求。现场看到的那些神奇的3D打印产品,让我们感受到了3D打印技术“魔变”的神力。数字化传输3D打印技术的出现让传统工艺很难或者不能解决的问题成为现实。

杨欢庆说道,3D打印沿着按照零件切片轮廓移动的激光光束轨迹,通过高能量输入的快速熔化,实现从点到线到面的快速成形,可以有效解决铸造与焊接时凝固过程中存在的各种缺陷,极大地提高了产品的可靠性。很多传统工艺无法实现的技术难题都被3D打印技术化解了,目前发动机上的很多部件,包括像叶轮这样的转动件,都可以通过3D打印技术直接成形。

因为3D打印技术在解决许多传统工艺技术难题上显示出来的巨大发展潜力,西安航天发动机厂于2014年成立了激光增材制造技术中心,并在今年3月份获批作为主依托单位组建国防科技工业航天特种构件增材制造技术创新中心,成为科工局在企业中挂牌的唯一一个3D打印技术创新中心。这是对西安航天发动机厂3D打印技术发展的肯定,也是中国3D打印技术从研究发展逐步走向实践应用的见证。

推广应用促发展

针对3D打印技术的应用推广现状,杨欢庆说,现阶段,谁能把3D打印技术推得快、推得广,谁就能尽快把技术成果转化为生产力。

他介绍说,现在西安航天发动机厂3D打印技术的工程化应用工作已经取得了一定的成绩,形成了“四大类七种材料”从制粉、成形工艺,包括控形控性后处理以及质量检测评价的全流程技术体系。现在已经有几种铸造材料被3D打印赋予了新的生命,强度可以提高80%以上,综合性能达到与锻件相当的水平,制件内部质量致密,具有很高的可靠性。

他说,3D打印是一项新技术,所有人都要去重新认知和探索,这也是西安航天发动机厂组织专业团队去开展基础研究及实践的原因。目前,西安航天发动机厂3D打印技术的工程化应用工作已走在了国内前列,完成了50多种产品的3D打印成形,其中17种产品通过热试车考核,4种产品实现了飞行应用,6种产品开始小批量生产,而且现在每个月都会有新研发的3D打印产品。

西安航天发动机厂“四大类七种材料”50多种产品已经起到了初步的推广作用。杨欢庆说,对于3D打印技术,高校的重点是课题研究与基础研究,企业的工程项目重点是“我要用”,就是要使用各种手段去探索,破解“急、难、险、重、新”的应用难题。为了获得满意的性能,7103厂对3D打印某牌号高温合金的性能调控技术就花费了近一年时间研究,正是这一步步的努力才有如今的成绩。目前,西安航天发动机厂在3D打印金属材料研究方面已经全面涉足有色合金领域,这是一个很有潜力的发展方向。他说,铝合金性能调控好了,比强度并不输于钛合金。对这些金属材料的深入研究将更好地推广3D打印技术的应用。

对于推广应用中的军民融合和服务于“一带一路”倡议,杨欢庆说,3D打印应该是军领先之后才能民用。西安航天发动机厂是材料的使用者也是民用企业的拉动者。发动机、火箭和卫星,都需要材料重量轻、性能好,轻了灵活,燃料损耗少、振动小,这需要材料制造商加强技术攻关与工艺提升。军用需要民用研发配合,民用需要军用实践支持。而推广应用中不管是民用还是军用都需要探索、起草、修订标准才能推广应用。目前,西安航天发动机厂正在参与国家增材制造标准委员会增材技术标准起草的讨论。

认清差距画蓝图

对比国内与国外3D打印技术水平,杨欢庆说,3D打印在很多方面优于传统工艺,重在对复杂工艺的研究与解读,靠的是脑子的智慧来实践甚至赚钱。工艺技术方面,设计参数方面,建立各基础工艺模块单元,数据传输都是全新的“模具”革命,在急、难、险、重、新等领域传统技术制造中的难题3D打印可以轻松破解。明白了工艺先进性与技术独特性再去与国外技术对比,才能在差距中看到差距,在追赶中缩小差距。

他说,中国3D打印技术与国外相比稍有差距。在耐高温、结构功能件、抗振动等方面上有差距。材料上也有差距。但这几年经过高校与企业的合作研究与实践,差距已经越来越小,某些方面还实现了超越。

他说,国内3D打印技术需要学习国外的设计理念。国内总体停留在传统工艺的设计理念上,创新上明显存在差异。国内3D打印在轻量化、仿生等多个领域要有自己的设计理念,不能只停留在解决传统工艺问题上,要把优势发挥到极致,把创新应用到理念上。我们从事3D打印技术的研究者、实践者、应用者要通过自己的大脑在创新发展中赋予3D打印技术新的生命。

针对3D打印在可靠性、合格率、轻量化和节约燃料的综合成本优势,杨欢庆说,国内3D打印技术要有紧迫感,要有弯道超车意识,高校、企业携手并行才能进一步缩小并超越国外,从而让3D打印技术推动社会的发展与进步。

采访结束离开时,记者看到了办公楼墙体上“以国为重,以人为本,以质取胜,以新图强”16个震撼人心的大字。正是这16个字激发了西安航天发动厂一代代航天人的爱国情怀,正是以新图强让西安航天发动机厂在3D打印技术方面又走在了科技时代的最前沿,起到了示范引领的作用,为助力中国航天事业上九天揽月作出了贡献!

某型号发动机试车取得成功,发动机上的起动器出口管和燃气发生器出口管采用了3D打印技术。这是航天六院西安航天发动机厂3D打印的航天产品首次参加整机热试车。试车的成功具有里程碑的意义,验证了3D打印技术在航天液体动力领域应用的技术可行性,对该技术在液体火箭发动机成形中的推广应用打下了坚实的基础,为3D打印技术的研究拓展应用创造了条件,提供了支撑。

“雄关漫道真如铁,而今迈步从头越”。3D打印技术的“魔变”神力,必将助力中国航天技术的进一步腾飞,必将让中国航天事业以立体的姿态在世界的眼光里绽放。

发表时间:2018-1-3      | 打印 | 关闭