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3D打印可能彻底改变F,战时可极大提升生存力

2020-01-03 19:18

澳大利亚国防科技集团的研究人员积极研究利用增材制造技术来维修和加固军用飞机部件。

  近日,《解放军报》一篇名为“增材再制造技术走进装备保障体系”的文章7日在中国互联网引发不小的关注。该文称中国海军一艘战舰上装备有一个可快速修复受损零件的微型加工车间,可以让战舰快速恢复战斗力。实际上,增材再制造技术也就是人们熟知的3D打印技术,之前已经开始大量用于装备制造业,该技术用于装备保障领域后,将极大提高保障效益。

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DSTG是澳大利亚负责国防科技研发的领先机构,隶属于澳国防部,其前身为澳大利亚国防科学技术组织。DSTG国防研究员凯文·沃克表示:“相比于制造新部件,对现有军用飞机部件进行维修加固通常可以提高成本效益与效率。DSTG与皇家墨尔本理工大学及行业合作伙伴一起,开发了激光增材制造维修技术,可以对腐蚀、磨损和疲劳裂纹等故障进行修复。在某些情况下,我们甚至可以使被修复零件的性能比原来更好。”

  3D打印被用于三军装备保障

工人正在组装燃气轮机

F-22

沃克的团队使用增材制造技术来修复F/A-18飞机的方向舵防旋转支架,这种维修方法已经通过了设计验收和飞行认证。另一个例子是利用增材制造来维修C-130J“大力神”军用运输机的起落架部件。

  据报道,元旦过后,中国海军某驱逐舰支队一艘战舰在进港停泊时,绞缆绳的传动齿轮锯齿突然断裂,无法快速抛锚。“紧急关头,机电部门维修人员快速卸下受损齿轮,走进位于船尾的移动方舱对齿轮展开抢修。很快,受损齿轮得到修复。” 报道称,这得益于增材再制造技术的成功应用,方舱“犹如一个微型‘加工车间’,能够快速修复、制造出常用甚至非标零件。” 报道称,舱内摆放着计算机、熔铸设备、成型机,以及铝合金材料、不锈钢粉末等增材再制造必需材料。通过计算机内存储的大量备件三维数据模型,成型机可根据模型对受损零件进行快速修复,部分简易零件可现场制造,大大提高了战时装备保障效率。该文章称,目前这项技术已通过总部评审,走进三军装备保障体系。

据澎湃新闻 3D打印重新定义了制造业。千百年来,制造业是一种减法:拿到原材料,车铣刨磨,去除多余的部分,最终成型;3D打印则让制造业变成了一种不断添加原材料的加法。西门子瑞典芬斯蓬工厂CEO汉斯霍姆斯特龙介绍。

中国航空新闻网讯:根据美国《星条旗》报道,世界上最昂贵的战斗机很快就可以使用3D打印机制造的零件。

沃克解释道:“C-130J中起落架部件由4个,通常情况下,每经过6年,大约有2~3个部件会由于腐蚀而出现故障或隐患。

  2014年7月22日《环球时报》记者赴解放军装甲兵工程学院参观时便在现场发现了等离子熔覆成形再制造方舱,这实际上也是增材再制造的一种。据院方介绍,该方舱可以利用这项技术,快速制造战损部件。目前,主要是打印金属部件,打印速度为每分钟80克到100克,但炮膛等高精度部件目前还无法通过打印完成。

从减法到加法的比喻,点出了3D打印的本质:增材制造,即在数字化 3D 设计数据的基础上逐层制造零部件的生产工艺。

据美国空军和洛克希德马丁公司称,2018年12月在美犹他州希尔空军基地的维护人员首次在F-22战斗机上安装了金属3D打印支架。

“对于这种起落架部件,我们开发了一种使用激光熔融增材制造打印不锈钢粉末的修补方法,预计这将比原始部件的4140锻钢具有更好的耐腐蚀性。”

  中国步入3D打印第一梯队

芬斯蓬工厂自2009年开始尝试,将增材制造用于燃气轮机的原型设计、维修和生产。西门子提供的数据显示,增材制造使生产资源减少了63%,维修速度提升60%,交货期缩短50%。

这个新的金属3D打印部件将替换F-22战斗机驾驶舱内的铝制部件。

作为与美国、英国、加拿大和新西兰技术合作计划的一部分,澳大利亚国防科技集团正在与国际合作伙伴共同研究在军事基地增设增材制造设备与材料的可能性。目前的工作重点在于量化粉末增材制造过程中出现的性能变化。这不仅是解决空天应用认证的重要问题,对所有应用都很重要。

  据专家介绍,增材制造(AM)技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术,这是一种三维实体快速自由成形制造新技术,综合了计算机的图形处理、数字化信息和控制、激光技术、机电技术和材料技术等多项高技术的优势,也有人称之为“快速原型制造”、“3D打印”、“实体自由制造”。西方媒体把这种实体自由成形制造技术誉为将带来“第三次工业革命”的新技术。

西门子芬斯蓬工厂生产或组装上百吨重的燃气轮机,包括全球销量超过325台的SGT-800,在这里被整体装车,运向北雪平港,从波罗的海出发,输往世界各地的客户。

如果钛片支撑起来的话,该部件将在维护期间安装在所有F-22飞机上,也可以将3D零件扩展到其他的飞机中,最终目标是减少和降低维护的喷气式飞机的时间。

沃克说:“例如,美国海军已经在舰船上安装增材制造设备,所以我们在这个领域有很多共同利益和合作基础。在前沿部署的基地内对部件进行维修将简化后勤保障流程,进一步缩短军用平台的维修时间,加快其重新入役的速度。”

  实际上,这项增材再制造技术已经广泛用于制造业。2014年1月,一架采用了3D打印技术生产的零件的“狂风”战斗机完成试飞,并被英媒认为是航空制造领域大规模使用3D打印技术的标志性事件。

2016年2月,西门子投资2000多万欧元,将芬斯蓬一处迁出的学校改造成了西门子工业型燃气轮机3D打印研发基地和工厂,负责燃气轮机零部件的快速原型设计、快速维修和快速生产。2016年7月,3D打印零件开始商业化制造。

洛克希德马丁经理罗伯特布莱德说:希望正如美国空军说的那样,将更进一步来证明自己。

简单地说,维修人员可以向海外部署的国防平台上传CAD文件,并在需要时打印零件。这将缩短后勤补给时间,并且不再需要装满备件的大型仓库,从而以更低的成本提高了作战戒备水平。增材制造还有望在保持与传统铸锻件相当强度的基础上,显著降低几何形状复杂的零部件的重量。

  中国在这一领域应用也已经步入世界第一集团。中航工业的资料显示,从2001年起,我国开始重点发展以钛合金结构件激光快速成型技术为主的激光3D打印技术。歼-15的总设计师孙聪也曾透露,钛合金和M100钢的3D打印技术已广泛用于新机设计试制过程。其中于2012年10月至11月首飞成功的机型,广泛使用了3D打印技术制造钛合金主承力部分,包括整个前起落架。此外,相关技术还广泛用于中国的C919大飞机的制造,包括其中央翼根肋。目前,我国成为世界上继美国之后第二个掌握飞机钛合金结构件激光快速成型技术的国家。

3D打印燃气轮机零件:技术和挑战

虽然该技术是第一次用于F-22上,但是在战斗机中使用3D打印技术并不是最新的技术,从悍马(Humvee)的门把手、步枪握把到防毒面具的改装,它们都使用了增材制造技术。

沃克承认,尽管利用增材制造技术制造和全面维修关键部件可能还需要五到十年之久,但他的团队正在通过全球技术合作计划等途径为实现这一目标作出努力。这项工作目前已经在零部件几何修复维修、二级和三级部件制造等方面取得了阶段性成果。

  此前,中国军方媒体还曾披露,哈尔滨舰赴亚丁湾执行护航任务时,战舰柴油机上一根重达25公斤的轴承断裂,导致主机突然无法启动。为修复主机,舰员自己动手照着图纸加工了一根“与原件相似的轴承”。而有了3D打印技术,可以快速修复或者制造非常复杂的精密零件,不仅不会把装备后送,而且维修后的效果不比后方工厂差。

走进芬斯蓬西门子工业型燃气轮机3D打印研发基地和工厂,多处装修和陈设还保留着原先学校的痕迹。只有每个房间摆放着的大大小小、五颜六色的燃气轮机模型在不断地点题。

美海军陆战队在2018年4月起飞的F-35B闪电战斗机中,其部件是由3D打印机提供,以取代飞机起落架舱门上的磨损塑料保险杠。该部件在几天内批准、印刷和安装,减少了美国更换部件的等待时间。

  3D打印不是万能的

而穿上安全服、戴上护目镜才能进入的工作间,又是另一种画风。工作间大致分为原型设计、打印、维修和后期处理四个区域,共配有12台3D打印机,由德国EOS公司生产。

美空军表示,与美海军陆战队的塑料保险杠不同,F-22的3D支架是采用粉末床融合工艺和激光制造的,用钛粉末逐层构建而成。

  据法新社报道,美国军队已经投巨资试图用3D打印技术生产制服、人造皮肤甚至食物。麻省理工学院的科学家还发明了“4D打印”,能在接触水等元素时变色的物质。英国国防企业还发布一个动画视频,设想一架飞机能在机体内打印出另一架飞机,然后从机身下面发射出去。但3D打印技术真的万能吗?

在3D打印机全天候工作时,工作间几乎没有工作人员。芬斯蓬工厂产品经理安德斯佩森解释道,工作间采用了数字化管理系统,只需少量人力操作。

印刷的3D支架不会腐蚀,驾驶舱的脚踏板组件在维修期间有80%的时间都会被更换,现在取代了易腐蚀的铝制部件。将在使用中进行监控,并在飞机返回美国希尔空军基地进行维修时进行检查。如果验证通过,该部件将安装在所有正在进行维护的F-22飞机上。

  一名不愿透露姓名的中国技术专家向《环球时报》介绍称,3D打印目前主要有三大用途:一是在战场上快速打印战损零部件;还有一个用途是个人定制,满足个性化需求;第三个用途是用于特别大型、复杂的贵重部件的制造。

走近自动工作的打印机,透过泛出绿光的玻璃窗口,可以看到4个绿色光点正沿着特定的路径,在一层白色的粉末上快速移动,留下凝固成型的银灰色金属图案。接着,工作平台向下降低一级,一条金属片扫过整个平台,重新铺满白色粉末,进行新一层的金属图案绘制。

美空军表示,计划在F-22上至少测试五个金属3D打印部件。

  不过,这名专家认为,3D打印技术在现有技术条件下,加工制造精度还无法与现代高精度切削工艺相媲美,因此很多要求较高的零部件,还需要二次加工,这种技术的主要优势体现在节省贵重原材料、节省工序、可以制造传统工艺无法完成的复杂构件等方面。

佩森介绍道,打印的每一层金属厚度大约在0.02mm到0.04mm之间,比头发丝还细。正在打印的这个燃气轮机零件,共由9000多层构成。算法可以检测每一层出现的漏洞,然后实现自我修正。

美希尔空军基地第574飞机维修主管Robert Lewin在声明中说:一旦我们打印更复杂的部件,飞机在这里进行维护的流程可能会缩短60到70天。

这是一种名为选择性激光熔化的增材制造技术。与激光烧结技术相比,选择性激光熔化打印机控制激光在铺设好的粉末上方,选择性地对粉末进行照射,将金属粉末加热到完全熔化后成型,不需要黏合剂,成型的金属零件致密度和力学性能都更好。

美空军没有透露3D打印会在F-22维护中节省多少时间和资金。 但Lewin表示,使用该技术的维护人员能够在没有最低订购量的情况下,在短时间内获得更换零件,由于F-22机群规模小,这对F-22来说极具有挑战性。

西门子是率先利用选择性激光熔化技术生产燃气轮机和蒸汽轮机金属部件的企业之一。那么,这些3D打印工艺而成的零件,上岗后表现如何呢?

2018年发布的一份政府报告显示,由于维修问题和F-22中队规模较小导致整个服务范围内的飞机可用率会比较低。(hanyu编译)

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佩森介绍道,应用在燃气轮机上的3D打印部件展现出了相同的安全性和可靠性,效率和可持续性方面也具有优势。

芬斯蓬工厂目前采用3D打印制造的燃气轮机零件,集中在燃烧室部分。相关工程人员着重介绍了SGT-800燃烧室前端。在传统生产过程中,这个部位由13个部件和18个焊接点组成,而3D打印技术将其作为整体打印,生产时间由数月缩短到一两周。

这些经过3D打印设计制造的燃烧室,支持更高燃烧温度,可以处理高达60%的氢与天然气的共燃。由于氢气比天然气便宜,相比起纯天然气燃料,每年可以节省300万欧元。

不会代替大规模制造

波音、惠普、霍尼韦尔等企业也在加紧3D打印材料、装备、软件系统、服务等领域的产业渗透。西门子的主要竞争对手GE,在2016年斥巨资收购了金属3D打印德国ConceptLaser公司和瑞典Arcam公司75%的股权。

在这股大潮下,西门子怎样部署3D打印的未来?

芬斯蓬工厂现有的12台3D打印机,来自德国EOS公司。其中,有4台是专门适应西门子的需求,进行过软件改造的定制修复打印机。芬斯蓬工厂此前长期回收磨损的燃气轮机零件,进行修复,像前文提到的曾由13个部件和18个焊接点组成的燃烧室前端,以往需要大规模的切断、重铸。现在,定制的3D打印机只需要截去顶部的24mm,快速打印,交货时间缩短60%。

西门子方面表示,3D打印技术暂时不会代替大规模制造。西门子将着力发挥自身的软件和控制数字化优势,有信心在3D打印原型设计中领先一个身位。如今,芬斯蓬工厂已经开始为第三方提供3D打印服务。

相比无限的设计潜力,人才的需求缺口日益凸显。西门子需要的3D打印研发人才,既要是熟练的数字化工程师,又具备创造力和想象力。

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