领先美国独步全球,C919一飞冲天,揭秘你不知道的3D激光打印技术
大家可能对C919大飞机很熟悉,但肯定不了解助力C919问世的3D激光打印技术,今天我们就一起来看看,这个让美国眼红不已的新科技 。
C919是我国首款商用大飞机,承载着中国商飞的希望,未来很可能会成为波音空客的强劲对手,我们一直为中国的大飞机骄傲,却不知道大飞机背后还有一项关键技术,中国称得上是领先美国独步全球,这项技术,就是3D激光打印技术,它可是发展高端制造业的强力助推器。
3D激光打印技术的前世今生
可能很多人都有这样一种观点,3D打印是近些年兴起的新技术,其事实并非如此,早在1892年,3D打印技术就在美国问世了,是不是感觉很不可思议?
1892年,美国人j.e.Blanther提出了一个新奇的想法,那就是用切割堆叠蜡片的方式,制作等高线浮雕图,然后放在地图上代表丘陵山地等,并针对这一技术申请了专利。这个切割堆叠蜡片的构想,就成了3D打印的雏形。当受限于当时技术条件限制,这一技术最终没能实现普及。
不过好的构想总会传下来,不断有人试图去完善它。1902年,又有人提出了用光敏聚合物作为原材料,实现了3D打印效果,不过这一想法也是昙花一现,当时的技术不足以支撑3D打印大规模发展。
直到1984年,查尔斯·胡尔(Charles Hull)开始研究这一技术。正所谓来得早不如来得巧,胡尔开始研究时,恰巧赶上计算机技术快速发展阶段,计算机为3D打印扫平了技术障碍。1986年,胡尔发明了"光固化方法",并成立了世界上第一家3D打印设备公司,推出了3D打印技术通用的STL文件格式。
这一切贡献,奠定了他"3D打印之父"的地位。
这之后,3D打印技术发展越来越快,先后出现了"熔融沉积"、"选择性光烧结"和"立体喷墨打印"等不同技术路线,后来又有了"金属粉末激光选区融化技术"。
这一技术将金属粉末融化为液体,通过计算机控制将液态金属逐层堆叠,从而加工出高精度的金属部件,这是目前技术难度最高也是发展前景最广阔的技术之一。
中国弯道超车独领风骚
二十世纪后半叶,在创新和科技引领方面,美国是当之无愧的世界老大,很多新技术都是首先在美国发明并得以应用的。但最近二三十年以来,中国厚积薄发逐渐崭露头角,在3D激光打印技术尤其是钛合金构件打印方面,已经领先美国独步全球。
自二十世纪90年代以来,包括清华大学、西安交大、华中科技大学在内的多所中国高校,开始进行3D打印技术研究,并各自选择了不同的技术路线,逐渐富起来的中国,已经有足够的力量,支持科研团队同时尝试不同的方向,就如近几年的新冠疫苗研发一样,不同的企业进攻不同的方向,齐头并进最终都交出了满意的答卷。
在强大资金实力支持下,1994年我国自主研发出第一台3D打印设备,2000年以后,北京航空航天大学后发先至,攻克了高性能金属构件快速成型关键书和成套装配技术,中国因此也成为世界上第二个掌握这项技术的国家。
常规金属构件方面中国排世界第二,但在3D激光打印钛合金构件方面,中国却独领风骚稳居第一,这是一项连美国都没能攻克的技术。不是他们不想搞,而是努力多年依然没搞出来。
2000年,美国政府牵头组织多个国家实验室和大型企业,期望攻克这一技术难关,但最后却无果而终。2012年,再次邀请激光企业加入组织共同研发,至今依然没能交出合格产品。
助力C919大飞机一飞冲天
3D打印钛合金构件技术,我国早就研发成功并应用到实践中,在C919大飞机生产制造中,这一技术贡献很大。
C919包括中央翼缘条、主风挡窗框等多个重要部件,都采用了3D打印技术进行制造。2009年,中国工程院院士、北京航空航天大学教授王华明攻克多项技术难关,依靠3D激光钛合金打印技术,带领团队耗时55天,成功制造出机头主风挡窗框。
你还别觉着55天制造一个风挡窗框很漫长,如果依靠传统制作方法,这根本就是一个不可能完成的任务。更重要的是,3D激光打印技术制作风挡窗框,不但制作速度快,而且成本低,综合成本还不足欧洲锻造模具费的10%。
另外,3D打印技术生产出来的中央翼缘条,更是传统工艺所不能比的。这根打印出来的钛合金条,如果用传统方法制造,需要使用1607公斤毛坯锻件,而使用3D打印技术,只需要136公斤精坯就能制造出质量更好的部件,并且制造速度更快。
凭着"多快好省"的特性,3D打印技术和C919简直就是绝配,因为3D打印制造出来的各种零部件,完全不需要经历铸模、锻造的过程,直接在电脑上建好模型,然后直接用打印机把钛合金粉末打印成需要的部件就可以了,而且一体打印成型,部件可靠性比传统制造方法要强很多。
3D激光打印技术用途广泛,除了应用在工业领域之外,还可以为医学、考古等提供助力。2022年3月初,王华明在《院士开讲》栏目中表示,在未来,这一技术必将彻底改变现有的生产流程,依靠"高效率、高精度、高性能"的优势,助力我国产业升级,实现冲击高端制造业的目标。
200多年前,瓦特发明了蒸汽机,掀开了近代工业革命的序幕,当年欧洲国家把握住时代机遇,迅速发展成为世界强国。现在,3D激光打印技术的快速发展和广泛应用,也许会成为新一次工业革命的起点,而我国目前已经成为这一技术的执牛耳者。曾经我们因为历史的原因,错过了当年的发展机遇,现在我们蓄力奋发,必定不会再错过这一次机会。
作者:芒果很忙
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