盧秉恒：3D打印在航空航天領域的機遇和挑戰

  盧秉恒主要從事快速成形制造、微納制造、生物制造、高速切削機床等方面的研究，先后主持20余項國家重點科技攻關項目。曾獲國家科技進步二等獎、國家技術發明二等獎、“做出突出貢獻的中國博士學位獲得者”稱號、全國五一勞動獎章等獎項。

顛覆性技術

  “3D打印是一個嶄新的技術，還有非常大的發展空間。”盧秉恒院士介紹，增材制造是近30年才發展起來的，而我們比較熟悉的鑄、鍛、焊已經有3000年的歷史了，切割加工也具有300多年的歷史。根據2013年麥肯錫研究報告預測，在今后影響人們生產組織模式和社會生活的12項重大顛覆性技術中，3D打印名列第9，排在新材料和頁巖氣之前，到2030年，3D打印的效益將達到0.6～1.2萬億美元。這一預測后來又被提前，預計到2025年3D打印可能產生高達5500億美元的效益。美國“重振制造業計劃”在國會提出的口號就是要“在美國發明、在美國制造”，他們提出了一個指標：用一半的周期、一半的成本來完成產品的開發。為了實現這一目標，專家們提出3D打印是促進這一指標的有效手段。盧秉恒認為，3D打印正處于技術發展的井噴期，近兩三年國內有很多大的創新，使非金屬制造的效率提高了幾十倍，金屬制造的效率也提高了近十倍；同時，3D打印也正處于一個產業發展的起步期，很多企業都在加盟這個領域，普遍認為3D打印是一個很值得挖掘的一個金礦。

  在盧秉恒看來，3D打印是產品開發的利器，它在做首件上是非常有利的。“過去，我們做試制的時候，最難的就是做樣件，一架新飛機的研發周期需要10～20年。有了3D打印，我們就可以免除做首件所需要的專用工卡具、刀具、模具等等，因此大大簡化了工藝流程，可以快速做出首件來進行裝配、試驗、驗證。”盧秉恒舉例，像飛機典型的結構件大部分是框、梁、架、桁，這些東西的長度和面積都很大，但是實際上所需材料并不多，設計要求用最少的材料來實現最高的強度和剛度。3D打印是上述結構非常理想的一種指導方法，它可以克服結構件占有空間大、形狀復雜，采取切割加工時往往95%～97%的材料都會被切割掉，而且在切割加工中變形非常大，且加工所用機床的制造難度非常大等問題。“所以從這個角度上來說，3D打印在航空航天領域是一項顛覆性技術。”盧秉恒認為。航空航天所面對的是難加工的材料，它的復雜結構、加工變形控制、研發周期和成本等對傳統制造提出了一個非常大的難題，而3D打印可以用全新的方式去對付這些難題。例如，鈦合金的切削加工是很難的，但對于3D打印來說，看問題的角度變了，反而成了最容易的成形方法。3D打印可以使材料的利用率從原來的3%、5%提高到80%、90%。另外，3D打印完全可以實現個性化，非常適合航空航天多品種、小批量、大型復雜結構的制造。

   現在已經有很多很好的案例，盧秉恒介紹道：“弗吉尼亞大學兩位學生通過3D打印技術制造出一架模型飛機并成功試飛。只花了4個月的時間，成本也只是2000美元。而就在5年前，制造這樣的塑料渦扇發動機的成本約為25萬美元，需要花上2年的時間。” 

美好但不完美

  “3D打印這么美好，但是我們還需要進行很多深入的研究。”盧秉恒直言。例如，用于航空領域，需要結構件具備很好的疲勞性能，這個也是業界很多人提出置疑的問題。盡管從理論上分析，用3D打印可以獲得很好的組織結構。比如設想，飛機發動機的葉片之所以做得好，就是因為它的溫度梯度非常高，因此它的晶粒很細。而與發動機葉片的溫度梯度（每厘米幾十度）相比較，3D打印的溫度梯度在每毫米上千度，在這么高溫度梯度下，3D打印產生的晶粒肯定是很細的。當然也有人不放心，認為3D打印是一點一點打印出來的，哪一點有問題它就形成了一個缺陷。盧秉恒肯定這種擔心是需要的，但他認為：“實際上在宏觀制造中，對微觀雜質的混入是不可避免的，正如鑄造中夾雜、氣孔等缺陷，即使經過鍛造，也只是改變了鑄造后的形狀，氣孔體積縮小一點、形狀變化一點，但仍然存在。而3D打印是在一個點上形成一個瞬態的高溫、一個瞬態的劇烈冷卻，允許產生缺陷的體積會非常非常小，所以應該說是最可靠的。”當然，盧秉恒也表示，要達到這種可靠性必須每一點上的工藝條件都控制得非常好。但實際上，在3D打印中，激光掃描也是有慣性質量的，由于光斑能量分布不均，因此會導致溫度場不均勻，可能會產生內應力。“這不是傳統凝固學所能解決的問題，我們需要深度研究在3D打印情況下，逐點瞬態的熱力歷程及其強非平衡態機理。”盧秉恒坦言，“我們很多的短板還是在基礎研究上，如果這些難點不克服，我們對3D打印的航空件能否接受疲勞試驗還是存有疑慮的。”

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