中国航发商发石磊：航空航天领域增材制造

中国航发商发石磊博士进行主题演讲。

    石磊：各位专家、各位领导，下午好！
    本次汇报有四方面内容，前面主要介绍一下增材制造分类、优势以及在航空航天领域的一些应用，第三部分介绍一下行发公司在增材制造领域应用实践，第四部分是指出增材制造现在面临的挑战以及未来的发展趋势的预测。
    第一部分内容，增材制造技术的分类和技术特点。增材制造技术大致分为两类，一个是粉末床式，例如激光或者电子束，以及非金属的激光烧结，这种技术可以成形一些复杂构件，成形精度比较高，表面质量比较好，特别是对于电子束熔化技术，它处于真空环境，而且可以预设很高的温度，对于一些难熔的材料，比如对于钛铝合化合物成形非常有利。
    第二类主要是以送粉和送丝式，可以成形大型构件，工艺流程短，成本低。
    增材制造的优势体现在四个方面：首先是快速原型认证，缩短研制周期。第二是提升设计自由度，实现结构减重和可靠性。第三是降低复杂结构零件制造成本。第四针对一些损伤零件可以进行修复，降低成本。
    根据各种工艺特点可以对各种技术进行梳理，可以实现制造、修复等需求。现在针对航空产品有一个非常重要的理念，就是全生命周期管理，从产品的设计开始就要考虑产品的功能性、装配性、制造性、维修性等等方面。而增材制造技术可以提高设计自由度，同时可以指导修复等特点。非常贴切这个产品全生命周期理念，意味着在航空领域有非常大的应用前景。
    第二部分内容，航空航天领域增材制造案例。
    首先在航空发动机领域，标杆企业GE公司开始了增材制造技术研究，2000年启动了增材制造燃油喷嘴项目，06年完成了一些原型认证工作，包括完成了首台测试发动机测试等等。通过增材制造技术燃油喷嘴由20个零件减少到1个零件，减重25%，同时相对焊接薄弱环节也避免了，提升了寿命。目前已经批量化生产，带来了非常大的经济效益，GE公司也做了EBSM涡轮叶片，减重效果非常明显。最近在微信公众号里面有一篇非常火的文章：不加温如何两年完成十年的工作量，就是介绍了GE公司通过增材制造技术用两年时间了完成了原本应该十年才完成的设计与研发工作，通过增材制造技术重新设计以后，把855个零件缩减为12个，并且发动机重量降低，油耗也减少，功率提高。
    从这个例子可以看出，如果从发动机全局角度考虑，采用增材制造技术设计和制造，可以提高产品的综合性能。
    对于RR公司也非常关注这种技术，较早采用这种技术修复叶片及叶盘修复。对MTU公司采用了选区技术，设计了成形孔仪附件。空壳公司在飞机上面也进行了大量的增材制造应用，值得注意的是，空壳公司已经完成了钛合金制造工艺的认证，也表明了这种工艺可靠性非常高。
    在航天领域也有非常多的应用，一些火箭发动机的喷嘴也进行了增材制造，传统的工艺很复杂，采用增材制造可以实现一体化成形，并且减少一些装配关系，同时对以前焊接薄弱环节也能够避免，显著提高这个零件的内疚性。
    在非金属方面，增材制造也有一定的优势。比如Bell公司成形了直升机部件，商发公司成形了气动试验件，可以快速响应设计的需求。
    第三部分，介绍一下商发公司在增材制造方面的应用实践。（南极熊3D打印网编辑发布。）
    商发公司在增材制造团队成立之初，就形成设计为牵引、工艺为核心人才队伍，包含了设计、工艺、理化检验、试验等部门的人员。通过这个团队可以非常有效的从设计新产品迭代验证。最近中国行发集团准备建立增材制造工程技术中心，将会承担增材制造工艺和市场认证两个方向，届时人才队伍将进一步完善和规模进一步扩大。
    在应用方面，商发公司增材制造成立之初选择了燃油喷嘴，为什么选择燃油喷嘴？通过现有的制造工艺非常难加工，而且加工后可靠性也不高。我们从14年开始进行了一些技术工艺研究，现在初步进入了工程化阶段，我们完成了五种结构的优化设计，并且进行了打印和验证，目前基本上完成了零件级的考核。
    在2017年下半年商发公司进行了多轮次核心机实验，现在可以达到100%转速，这也是发动机喷嘴中里程碑节点，我们基本摸清了它的性能和相互之间的关系，验证了一些新技术，特别是商发公司设计的验证机现在也可以达到国际一流水平，也为今后进一步优化提供了大量的支撑。
    如果从发动机全局角度进行增材制造的设计和制造，可以实现性能大幅提升，商发公司也进行了尝试，以目前市面上比较成熟的10公斤的涡喷发动机为对象，进行了一些增材制造的设计和制造工作。经过两轮次迭代，零件数量从25个减少至18个，并且实现全金属的增材制造。
    在送粉工艺方面，商发也做了大量工作，主要对TC4合金进行了工艺实验以及性能测试，基本上可以达到锻件要求。
    装配模拟件，商发公司有大量的装配任务，但是为了避免粗错，我们先打印成装配模拟件，一方面可以提高熟练度，另外也避免装配过程中的干涉问题。
    经过近4年的发展，商发公司在增材制造方面初步实现了一些精度控制，针对不同的几何结构特征，开发适宜的成形策略及支撑设计方案等方面进行了优化特征。
    原材料以及成形过程控制是保证产品非常重要的两个必要条件，通过一些数据积累，我们制订了一些原材料方面的标准，对原材料的粉末特性，比如空心粉等等进行了详细的要求，也制订了相应的制件标准，明确了一些工艺窗口，对整个过程要严格把控，以保证产品的质量。
    发表了一些增材方面的论文和专利，比如《一种粉末清理装置》、《一种光固化增材制造树脂制件的表面防护工艺》等等，进行了模拟工艺实验，建立了相关的专利。
    （PPT图示）已经公认增材制造技术在航空领域有非常大的应用前景，这张图是GE公司梳理的发动机里面可以进行增材制造的构件。商发公司非常重视这种技术，也把这种技术视为发动机研制晚道超车的一个关键技术。非常希望联合一些力量，来共同完成增材制造工程化的应用，今年商发公司牵头联合了国内15家单位，包含了设计组、主机厂、粉末制造厂以及服务工程商等等，共同申报了2018年科技部增材制造与激光制造重点专项，准备从设计、原材料、成形修复、检测以及考核全环节出发，并且从零件、组件以及单体、整机角度进行增材制造支撑大涵道比、小涵道比等全流程应用。
    第四部分内容是增材制造面临的挑战以及未来的发展趋势。
    挑战方面，当然在设计领域，缺乏基于增材制造工艺的设计准则，增材制造数据不充分，缺少一体化考核方法。成形方面涉及的物理冶金过程认识不足，增材制造工艺过程仿真技术不成熟，复杂结构零件尺寸精度控制工艺不成熟，组织和力学性能均匀性控制不成熟，工艺过程监控及质量保证体系不完善。
    在后处理和检测方面，首先增材制造有一个难题就是结构如何光整，目前相匹配的工艺手段非常有限。再一个是增材制造对于复杂结构的尺寸测量现在方法不完善，另外是标准及数据库缺乏。
    发展趋势，我们认为有四个方面。首先单一材料向复合材料方向发展，纳米材料、碳纤维材料等与现有材料复合，实现材料多功能性。第二是多工艺增材制造成为重要方向。通过与机器人、数控机床、锻铸等多工艺技术集成实现复杂结构零件的增材制造。第三是装备成形尺寸更大、精度更高、更智能。现在装备成形尺寸已经步入米级时代；成形精度已达到微米级，未来将向纳米级成形精度发展；传感器、微处理器、数据存储等装置等智能部件融入增材制造装备，以实现增材制造实施监控以及反复降解。第四是融合式创新重塑增材制造新模式，通过结合减材制造、智能制造、云制造等等，实现增材制造智能工厂。