從一個(gè)熱交換器談?wù)劵裟犴f爾為何擁抱航空3D打印？

　　3D打印技術(shù)正在改變著航空航天這類高精尖產(chǎn)業(yè)。專家指出，關(guān)鍵零部件加工難、特殊材料利用率低等是長(zhǎng)期以來(lái)制約航空航天發(fā)展的重要因素。3D打印快速成型的特性使其成為航空航天領(lǐng)域未來(lái)最具潛力的技術(shù)之一。

　　3D打印應(yīng)用廣泛

　　“的確，增材制造技術(shù)的快速建模、快速成型可以大大縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期或者生產(chǎn)周期，更重要的是，它可以打印出或者說(shuō)制造出傳統(tǒng)工藝無(wú)法做到的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。這是很有意思的，也是航空航天引入增材制造技術(shù)的重要原因。”霍尼韋爾科技事業(yè)部航空航天中國(guó)研發(fā)中心總經(jīng)理徐軍說(shuō)。

　　作為將3D打印技術(shù)引入航空航天業(yè)的領(lǐng)先者，霍尼韋爾在中國(guó)的3D打印實(shí)驗(yàn)室于2014年建成，全球其它三個(gè)實(shí)驗(yàn)室分別位于美國(guó)、印度和捷克。自2010年起，霍尼韋爾就開(kāi)始深耕3D打印領(lǐng)域，積累了豐富的研究經(jīng)驗(yàn)，并成功地將3D打印技術(shù)生產(chǎn)出的零件裝配在了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上。

　　2010年6月，霍尼韋爾首次采用718鎳合金3D打印了一個(gè)切向注入噴嘴(TOBI)，并將其安裝在了霍尼韋爾飛行試驗(yàn)臺(tái)上。2012年1月，霍尼韋爾使用同種材料打印了旋流發(fā)生器，并在客戶的飛行試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了測(cè)試。三年后，霍尼韋爾則使用電子束熔煉(EBM)技術(shù)，利用鉻鎳鐵合金718材料生產(chǎn)了HTF7000發(fā)動(dòng)機(jī)的管腔。

　　與傳統(tǒng)制造方式相比，3D打印在航空航天裝備制造方面優(yōu)勢(shì)頗多。首先，3D打印的加工過(guò)程則不受零件復(fù)雜程度所限，這與航空航天裝備關(guān)鍵零部件的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常較為復(fù)雜的特點(diǎn)相吻合。其次，3D打印技術(shù)可以輕松地加工高熔點(diǎn)、高硬度的高溫合金、鈦合金等難加工的航空航天裝備關(guān)鍵零部件材料，且3D打印加工過(guò)程中對(duì)材料的利用相對(duì)充分，可以顯著降低制造成本等。

　　尚有難關(guān)待破

　　不過(guò)，3D打印使用中還有一些難關(guān)待攻克。以金屬3D打印為例，多被用于機(jī)械制造和航空航天工程中形狀復(fù)雜的零件制造，對(duì)技術(shù)指標(biāo)要求極高。正因如此，“有的時(shí)候，3D打印機(jī)也不是那么配合。”霍尼韋爾科技事業(yè)部航空航天中國(guó)研發(fā)中心增材制造工程項(xiàng)目經(jīng)理Alexandre Baudot說(shuō)道，“它似乎不太友好，要為難我們一下。”目前，他正帶領(lǐng)3D打印熱交換器項(xiàng)目組進(jìn)行技術(shù)攻堅(jiān)，他所說(shuō)的“為難”，也就是他們與3D打印機(jī)半年多來(lái)的“斗智斗勇”。

　　“熱交換器最大的挑戰(zhàn)在于它里面的翅片非常薄，只有不到0.2毫米。而3D打印機(jī)能夠穩(wěn)定發(fā)揮的極致是0.3-0.4毫米，這是機(jī)器本身的一個(gè)限制，同時(shí)也因?yàn)榻饘俜勰┰诟吣芗す鉄Y(jié)下會(huì)發(fā)生膨脹，冷卻后會(huì)有點(diǎn)收縮，因此會(huì)和理論值產(chǎn)生誤差。所以說(shuō)它不可能做到完全地讓你隨心所欲地打出想要多薄就多薄的東西。應(yīng)該說(shuō)，是我們先‘為難’它了。”郭鑫是霍尼韋爾在科技事業(yè)部航空航天中國(guó)研發(fā)中心3D打印實(shí)驗(yàn)室的機(jī)械工程師，也是這個(gè)項(xiàng)目的主要成員之一。在加入霍尼韋爾之前，他的工作只與2D打印有關(guān)。有機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)，是他加入霍尼韋爾的原因。

　　這個(gè)項(xiàng)目的另一位主要成員是高級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)工程師竇娟。與郭鑫不同，她在霍尼韋爾工作了九年多。但相同的是，加入這個(gè)3D打印實(shí)驗(yàn)室之前，她與此有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)為零。“沒(méi)有什么秘訣，就是不斷地學(xué)習(xí)、接受各種培訓(xùn)，我拿到支撐設(shè)計(jì)資格證書的時(shí)候，還是有點(diǎn)小小的自豪的。”竇娟說(shuō)。

　　支撐設(shè)計(jì)對(duì)3D打印至關(guān)重要。設(shè)計(jì)得太復(fù)雜不利于打印，也會(huì)給打印完成之后的移除帶來(lái)巨大的工作量和成本。但是設(shè)計(jì)得不到位，打印就會(huì)失敗。3D打印并不像打印紙張那樣，放進(jìn)一張紙，紙就會(huì)從打印機(jī)里吐出來(lái)。由于它是一個(gè)三維立體的東西，它需要先打印在一個(gè)底座上才行，而底座和這個(gè)物件之間，就需要一個(gè)支撐。竇娟說(shuō)起3D打印的設(shè)計(jì)支撐，還是帶著一些小小的自豪。

　　從年初到現(xiàn)在，這個(gè)項(xiàng)目組已經(jīng)進(jìn)行了6次“設(shè)計(jì)試驗(yàn)”。每一次的試驗(yàn)從計(jì)劃、設(shè)計(jì)、打印、移除支撐到測(cè)量和測(cè)試功能，大約10天左右的時(shí)間。突破，發(fā)生在第2次試驗(yàn)之后。竇娟和郭鑫分別從支撐設(shè)計(jì)和3D打印機(jī)的參數(shù)和功能設(shè)置上找到了可行的解決辦法，并且在第3次試驗(yàn)開(kāi)始嘗試不同的組合，以期找到最完美的“配方”，攻克難關(guān)。

　　項(xiàng)目組認(rèn)為，熱交換器是機(jī)械元件產(chǎn)品組合中的重要元件之一。傳統(tǒng)制造工藝使這種產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和打樣需要投入很高的成本，更換翅片設(shè)計(jì)更是需要在模具上耗費(fèi)相當(dāng)?shù)某杀尽Ｒ环N翅片的工期從生產(chǎn)到裝配，短則半年，長(zhǎng)則一年。更重要的是傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)熱交換器的成品率相當(dāng)?shù)停挥?5%。“因此，我們十分期待有朝一日，這樣的產(chǎn)品能夠通過(guò)3D打印技術(shù)來(lái)生產(chǎn)。”在項(xiàng)目組看來(lái)，與3D打印機(jī)“斗智斗勇”并不是一件痛苦的事情，相反，他們覺(jué)得每一次的嘗試，都往目標(biāo)邁進(jìn)了一步。

　　專家指出，航空航天作為3D打印技術(shù)的首要應(yīng)用領(lǐng)域，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，但是這絕不是意味著金屬3D打印是無(wú)所不能的，在實(shí)際生產(chǎn)中，其技術(shù)應(yīng)用還有很多亟待決絕的問(wèn)題。目前3D打印還無(wú)法適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)，滿足不了高精度需求，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高效率制造等。而且，制約3D打印發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素就是其設(shè)備成本的居高不下。但隨著材料技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)以及激光技術(shù)的不斷發(fā)展，制造成本將會(huì)不斷降低，3D打印將會(huì)在制造領(lǐng)域綻放光芒。