【原创】3D打印技能展开及在航空航天范畴运用

发布时间:2022-04-18 07:56:58 来源:bobapp体育下载

  3D打印技能(又称增材制作技能)是信息网络技能、先进资料技能与数字制作技能的亲近结合,是先进制作业的重要组成部分,其与信息网络技能的深度交融,给各行各业展开带来革新性影响。当时,3D打印技能持续展开,商场规模快速添加,在航空航天范畴运用不断扩大。

  3D打印技能在技能办法、制作渠道、职业规范等方面取得重要展开,在商场规模方面坚持快速添加态势。

  美国是3D打印技能的发源地,具有最前沿的3D打印技能,在3D打印办法立异方面取得新的重大展开。2015年3月,美国Carbon 3D公司开宣告一种革命性3D打印技能——接连液面成长(CLIP)技能,打印速度比传统的3D打印技能快25~100倍,而且可制作出之前简直不行完成的超杂乱几许结构形状,极大推进了3D打印技能的运用。该技能经过在紫外线对光聚合的触发效果以及氧气对光聚合的抑制效果中找到平衡,可接连作业,完成线D打印。选用该技能打印成形的零件特征尺度最小可小于20微米,比一张纸厚度的1/4还要薄。2016年1月,美国西北大学研讨出新的金属3D打印办法——两步法。该办法选用一种由金属粉末、溶剂和粘结剂组成的液态油墨资料,经过打针或揉捏工艺打印出坯体,之后在熔炉里烧结。该办法能够打印金属混合物、合金、金属氧化物等多种金属,并使3D打印更快、更廉价、更均匀。

  3D打印技能操控体系与渠道建造是支撑3D打印技能展开的重要根底。美国3D体系公司是全球3D打印技能领导者,在美国空军研讨实验室支撑下,该公司将与霍尼韦尔公司、诺斯罗普·格鲁曼公司、洛克希德·马丁公司等大型军工企业一起研制高精度闭环先进制作与监控渠道,用于制作航空航天零部件,满意飞翔器在飞翔进程中精度高、功用强、可重复运用的特定需求。

  2015年11月,美国Arevo实验室推出了机器人增材制作渠道(RAM),用于超强热塑性复合资料零部件的快速、高效3D打印。该渠道将ABB机器人公司的商用6轴机器人体系与熔融堆积成形技能、结尾执行器硬件以及一套归纳的软件套件集成在一起,完成对高功用碳纤维增强热塑性复合资料零部件的3D打印。2016年2月,美国西亚基公司发布了根据电子束增材制作(EBAM)工艺的金属3D打印体系专用的IRISS闭环操控体系。IRISS是一种堆积层内部实时成像和传感体系,具有实时监控和处理数据的功用,为制作商在较大尺度的金属3D打印零部件的质量和功用操控方面供给支撑。

  技能规范是3D打印职业展开必不行少的要害环节。跟着3D打印技能的鼓起,规范办理部门和研讨组织开端策划职业规范并拟定相关规范。2015年7月,欧盟的“增材制作规范化支撑举动(SASAM)”方案发布了一份增材制作规范化道路图。作为欧洲规范的一个模板,该道路图论述了规范化关于工业运用及现有增材制作技能规范展开的重要性,清晰了规范化与优先注重规范之间的距离。但因为规范研讨组织之间缺少统筹,导致3D打印相关规范在一致性方面呈现问题。

  为此,“美国制作”立异研讨所与美国国家规范学会于2016年3月联合建立一个跨部门和谐组织——“美国制作与美国国家规范学会增材制作规范化协作组织”(AMSC),致力于和谐并加快开发全职业的、契合参加组织需求的增材制作规范与规范,促进增材制作企业健康展开。AMSC参加者首要来自私企、设备制作商、资料供货商、政府、学术界、规范开发组织和认证组织等。

  2016年4月,增材制作职业的威望咨询研讨组织——美国沃勒斯协会公司发布《沃勒斯陈述2016》。该陈述指出,2015年全球增材制作和3D打印商场销售额到达51.65亿美元,比2014年添加了10亿美元,添加率到达25.9%。一起,2015年3D打印职业的年复合添加率低于曩昔3年的33.8%,也比曩昔27年的均匀年复合添加率26.2%稍低。

  可是,尽管2015年3D打印职业遭受了一系列应战,但在多个范畴呈现了持续性添加,尤其是金属3D打印和桌面3D打印。2015年,全球共有62家工业级3D打印体系(价格超越5000美元)厂商,2014年这一数字为49家,2011年仅为31家。2015年,价格低于5000美元的桌面型3D打印机销量超越27.8万台,比2014年的16万台高出74%。而金属3D打印机的添加率约45%,增速迅猛。

  跟着3D打印技能快速展开,政府、军方等组织纷繁出台方针支撑3D打印技能展开与运用,使3D打印技能在航空航天范畴的运用更广泛深化。

  美国国家增材制作立异组织(NAMII,现名“美国制作”)发布新版增材制作技能道路月该组织发布了新版美国“增材制作技能道路图”,将规划、资料、工艺、价值链和增材制作基因组等5个技能范畴设定为要害技能范畴,每个范畴下设多个子范畴,依照技能成熟度分别对每个范畴2013年—2020年展开要点进行了规划。上述这些范畴是该组织未来一段时期内前进增材制作技能与制作成熟度的展开要点,也是美国政府展开增材制作工业的要点。美国NAMII自建立以来为增材制作技能开发与运用供给了三轮资金赞助,总额超越2000万美元。

  DARPA“开放式制作项目“。能够看到,在一个100倍显微镜下,两个运用相同资料3D打印的部件,不同相当大

  美国国防高档研讨方案局(DARPA)施行“开放式制作项目”,推进3D打印成为国防制作范畴的干流技能。2015年5月DARPA宣告施行“开放式制作项目”,旨在开发快速判定技能,然后全面获取、剖析并监操控作进程,以猜测终究产品的功用,确保产品所需的置信度,可靠确保飞机机翼或军事体系的杂乱部件批出产。该项目首要研讨方向之一是展开“快速低本钱增资料制作”研讨,要点研讨金属增材制作进程。

  美陆军发布最新版《陆军制作技能规划陈述》。2015年11月,美国陆军发布2016财年《陆军制作技能规划陈述》。陈述扼要介绍了陆军制作技能规划的使命、组织组织、出资战略等,并从项目方针、施行方案、效果、效益、受影响的武器体系等方面,对运用增材制作完成高价值航空财物修正/收回/再运用进行了研讨;对面向要害武器体系零部件直接制作、再制作及延寿的增材制作技能等6大范畴的31个正在施行的要点项目进行了剖析。

  3D打印技能已成为前进航天器规划和制作才能的一项要害技能,其在航空航天范畴的运用规模不断扩展。国外企业和研讨组织运用3D打印不只打印出了飞机、导弹、卫星、载人飞船的零部件,还打印出了发动机、无人机、微卫星整机,在本钱、周期、分量等方面取得了显着效益,充沛显现了3D打印技能在该范畴的运用远景。

  在零部件级方面,空客公司选用3D打印技能出产了超越1000个飞机零部件,其间用于A350XWB宽体飞机的舱体支架取得“2014年德国工业立异大奖”;美国空军第552空中操控联队运用Fortus 400mc 3D打印机成功打印出飞机座椅扶手的塑料端盖,并初次取得同意将其运用于E-3预警机,经过3D打印完成该部件的单位本钱由8美元下降至2.5美元;美国Aerojet Rocketdyne公司运用3D打印制作了第一批12个“猎户座”载人飞船喷管扩张段,制作时刻比传统制作工艺技能缩短了约40%;俄罗斯托木斯克理工大学(TPU)规划并制作的首枚外壳由3D打印的CubeSat纳米卫星Tomsk-TPU-120于2016年3月底搭载前进MS-02太空货运飞船被送往国际空间站;美国海军在2016年3月进行的“三叉戟”II D5潜射弹道导弹第160次试射中成功测试了首个运用3D打印的导弹部件——可保护导弹电缆接头的连接器后盖,使该零件的规划和制作时刻缩短了一半。

  在整机级方面,美国太空探究技能公司火箭实验室发布了一台用于低本钱太空游览的3D打印世界首款电动火箭发动机——Rutherford电动发射体系,选用该体系可将火箭发射本钱由传统燃料火箭发射的1亿美元降至490万美元;英国南安普顿大学运用增强型ABS塑料打印出了一款本钱仅为数千美元的小型无人机(Sulsa),俄罗斯Rostec公司也推出3D打印的多用处两栖无人机,该无人机重3.8千克,翼展为2.4米,飞翔速度可达100千米/小时,续航时刻长达1.5小时,从概念到原型仅花费两个半月,出产时刻约为31小时,费用不到20万卢布(约合3700美元)。

  当时,跟着3D打印技能运用深度不断加大,环绕配备修理与确保,在修理基地、空间站、战场前沿等供应链“前端”布置3D打印的趋势更加显着,这无疑将改动现有的配备修理方式与确保体系。

  一是在修理基地或配备确保体系中添加3D打印技能布置,一方面在国防预算日益吃紧的情况下推进本钱节约的一起,还能够削减对因为国家之间政治关系紧张时无法被本国运用的国外零件的依靠,即代替进口。例如,韩国空军运用3D打印技能制作其F-15K战斗机喷气发动机的高压涡轮机盖板,将本钱从4000万韩元(3.4万美元)削减到300万韩元,收购时刻比本来的60天削减一半以上,还经过3D打印将欧洲制作的运输机扬声器罩的制作周期由7个月削减至4~5小时,本钱从621美元下降至35美元。另一方面,还可打印老旧或已停产零部件,前进军事基地保护飞机的才能。例如,坐落美国俄克拉荷马州Tinker空军基地的空军后勤中心(OC-ALC)正在运用3D打印技能优化作业流程,经过3D打印飞机发动机零部件和现代电子元器件,保护B-52战机的战斗力。

  二是在空间站运用3D打印技能,完成在太空3D打印制作,需将原资料运送至国际空间站按需打印。美国太空制作公司已开宣告可在线月将其运送至国际空间站,宇航员不只打印了3D测试件,还打印了功用结构件。尽管太空3D打印技能在国际空间站外实际运用仍面对许多应战,包含怎么确保被打印的物体在太空中阳光直射下具有较长运用寿命,以及怎么操控打印进程中温度改变等问题,但仍引起了美国NASA的注重。

  三是将3D打印技能布置在战场前沿,完成直接在战场上打印零部件,删减由再制作基地制作零部件,然后运送到库房,再安装到某个组件里或运送到战场中运用的中心进程环节,到达在最需求零部件的当地直接精确地满意所需的意图。现在,美国国防后勤局正托付后勤办理研讨所展开3D打印技能运用咨询,研讨运用3D打印技能缩短戎行供应链,削减库存,下降后勤确保本钱。美国海军已发动“舰上打印”项目,开发零件打印、资历认证以及零件交给等一系列程序,评价可用于军事用处的各种3D打印技能与资料,以到达在海上舰艇中制作飞机零部件的方针。近年来,美军已运用3D打印技能打印出了油箱盖、医疗用品等较为简略的产品。

  与传统制作方法比较,3D打印技能不只可大起伏下降出产本钱,还突破了传统制作工艺关于杂乱形状的约束,它带来的是出产加工观念的革命性改变,对推进全球航空航天范畴的展开起到了重要效果。一起,需求指出的是,尽管3D打印技能具有便利、便利、低本钱等显着优势,但仍面对着运用应战,如质量确保、知识产权、人员培训、信息安全等问题。未来,3D打印技能在航空航天范畴的运用将是“渐进式”而非“革命性”。

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