沈陽飛機設計研究所飛機控制工程實驗室

    3D打印是一個比較通俗的名字，更學術一點稱呼叫做增材制造。它是一種以數(shù)字模型為基礎，運用粉末狀（或絲狀）金屬或非金屬等可熔化或粘合材料，通過逐層累積的方式來構造物體的技術。3D 打印通常是采用 3D 打印設備來實現(xiàn)的。過去常在模具制造、工業(yè)設計等領域用于制造模型，現(xiàn)正逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，已經(jīng)有使用這種技術打印而成的零部件。如在珠寶、鞋類、工業(yè)設計、建筑、工程和施工（AEC）、汽車，航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、槍支以及其他領域上都出現(xiàn)了 3D 打印的身影。

3D打印航空工程金屬部件

    走進沈陽飛機設計研究所 3D 打印“孵化室”

    王向明，中航工業(yè)沈陽飛機設計研究所的項目總設計師、飛機結構 3D 打印應用技術的領軍人物，2003 年起組建技術團隊，開展了 3D 打印在飛機結構中的應用研究。通過十余年堅持不懈的持續(xù)探索，造就如今居于世界前列的金屬 3D 打印技術與航空工程的融合。

    塔灣街 40 號，就是沈陽飛機設計研究所的所在，走進這個靜謐的院落，能時時處處聞到、感受到四周彌漫的技術的味道。這家始建于 1961 年的研究機構，是新中國組建最早的飛機設計研究所，一系列飛機設計與研究工作都在這里孕育而生，當然也包括如今已成績斐然的金屬 3D 打印。

    沈陽飛機設計研究所金屬 3D 打印的“孵化室”名叫“新型功能結構研發(fā)與工程化應用研究實驗室”，這個新型功能結構研發(fā)的航空科技重點實驗室專門從事孕育金屬 3D 打印技術的設計創(chuàng)新，并把它與航空工業(yè)相融合，直至把這項技術推至世界的巔峰。該實驗室承擔基于增材制造和特種加工技術的新型功能結構的設計、制造、測試驗證、工程化應用研究工作，以及負責新型功能結構的設計許用值測試和基礎數(shù)據(jù)庫建設，推進新型功能結構研究成果向型號的工程應用轉化，逐步實現(xiàn)快速試制技術體系的建設。這里集中了全所并聯(lián)合了行業(yè)內(nèi)增材技術領域的優(yōu)勢技術力量，充分體現(xiàn)了專業(yè)的融合和技術隊伍的集約化特點。科研人員的專業(yè)配置包括：結構創(chuàng)新設計、功能化結構設計、結構基礎技術、新結構驗證技術等多個領域方向，實驗室根據(jù)飛行器結構不同的技術特點、發(fā)展和需求，基于增材技術的創(chuàng)新結構設計與開發(fā)，結構特性分析研究、設計優(yōu)化研究、試驗驗證以及結構特性評估研究，重點實現(xiàn)從原理、方法、技術的全覆蓋，顯著提高了增材制造技術的研究水平。

    歷經(jīng)十余年的技術開拓，研究所實現(xiàn)了增材技術從次承力構件到主承力構件，再到規(guī)模化應用的三個跨越，擁有多項發(fā)明專利，完成了 4 項增材制造技術、5 種金屬材料、7 類結構件在多型飛機上的裝機應用，取得多項重大研究成果，使我國成為世界上唯一在飛機結構增材制造技術上實現(xiàn)規(guī)模化應用的國家。

    金屬 3D 打印技術“開枝散葉”

    金屬 3D 打印技術能在沈陽飛機設計研究所“開枝散葉”，緣于十多年前的一次偶遇和執(zhí)著，用王向明的話來說，這可以稱作是“一個核桃”的故事。

    2003 年，北京航空航天大學的王華明教授（2015 年當選中國工程院院士）來到沈陽飛機設計研究所，并隨身帶來了一個類似“核桃”形狀的金屬物體，猶如技術“種子”，開始孵化鈦合金結構激光增材制造應用技術，這也是二人正式創(chuàng)建聯(lián)合研發(fā)團隊、展開全面技術合作的開端。通過五個方面十三個技術方向的研究，歷經(jīng)十多年時間，走過了三個里程碑。

    第一個里程碑是 2005 年，突破鈦合金次承力件關鍵技術，使我國成為繼美國之后 , 世界上第二個掌握飛機鈦合金結構件激光成形技術及裝機應用的國家。第二個里程碑是 2009 年，突破了鈦合金大型、復雜主承力件關鍵技術，使我國一躍成為迄今世界上唯一掌握該技術并實現(xiàn)裝機工程應用的國家。第三個里程碑是 2012 年，在新機研制中實現(xiàn)了規(guī)模化應用。團隊先后榮獲國家技術發(fā)明一等獎和兩項國防科技一等獎。

    當下，我國航空、航天、船舶、汽車、海洋工程等現(xiàn)代重大工業(yè)裝備正向著大型化、復雜化、功能化和極端條件下高可靠長壽命服役方向快速發(fā)展，對裝備結構、材料及制造均提出了更加苛刻的要求。輕量化、整體化、長壽命、高可靠性、結構功能一體化以及低成本成為結構設計、材料應用和制造技術共同面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，這取決于結構設計、結構材料和現(xiàn)代制造技術的進步與創(chuàng)新。增材技術，具有短周期、低成本、激發(fā)創(chuàng)新的新興技術，代表著先進制造技術的發(fā)展方向，屬于在重大裝備制造中具有重大應用價值的變革性制造技術。

    大型航空鈦合金零件的材料利用率非常低，平均不超過 10%，同時，模鍛、鑄造還需要大量的工裝模具，由此帶來研制成本的上升。通過增材制造技術，不僅可以節(jié)省材料 2/3 以上，數(shù)控加工時間減少一半以上，同時不再需要模具可實現(xiàn)“快速反應”。更重要的是，增材技術解放了制造工藝對結構設計的約束，可以制造出最優(yōu)化設計的結構件，從而將研制成本尤其是首件、小批量的研制成本大大降低。

    王向明介紹，搞飛機結構設計，就想要把飛機設計得性能好、重量輕。“我們剛剛接觸 3D 打印技術的時候，就覺得眼前一亮，覺得這是多年尋找的東西。首先它是以材料”生長“的方式在制造零件，換句話說它更符合自然規(guī)律。我們自然界所有的東西都是以生長的方式在出現(xiàn)，以前我們的制造等材、減材方式居多，突然出現(xiàn)一種增材的方法來搞金屬零件，其誘惑是絕無僅有的。”回憶起初涉金屬 3D 打印技術的時候，王向明如是說。

    十多年時間對于科技研究來說，并不漫長。早在 2005 年，研發(fā)團隊在突破次承力件關鍵技術時發(fā)現(xiàn)了一個問題，當時美國 Aeromet 公司倡導整個激光成形技術的發(fā)展理念，就是直接在結構基板上生長成形，經(jīng)過簡單的加工就成為零件。理念雖好，但研究中發(fā)現(xiàn)在中等厚度的薄板上直接成形的制件，其疲勞強度存在嚴重不足。要知道飛機的服役期需要數(shù)十年，對疲勞性能的要求非常高，這樣的情況疲勞性能根本無法滿足要求。為此，團隊提出了一個全新的理念，叫無結構基板成形，這個技術實際上為零件的良好力學性能奠定了制造工藝基礎，為用于主承力結構提出了技術保障。

    金屬增材制造的最大技術難點是變形與開裂，為使零件能做得更大、更復雜，團隊又研發(fā)了一個宏觀尺度離散成形連接技術，通過一邊成形一邊連接的辦法，可以把零件做得很大、很復雜而不變形開裂，為大型復雜主承力結構件的增材制造提供核心支撐技術。至此，全面突破了鈦合金主承力結構增材制造技術，并在鶻鷹飛機上實現(xiàn)了規(guī)模化應用。以此為核心，構建了無模敏捷制造的快速試制模式。

    技術細節(jié)的打磨總是一項艱難的歷程。多年堅持，沈陽飛機設計研究所飛機增材技術取得了舉世矚目的成就，他們突破多項關鍵技術，研制的零件種類覆蓋除蒙皮壁板外的所有飛機結構件，材料包括多種鈦合金、超高強鋼等，先后在 4 個飛機型號或項目中得到應用。

    3D 打印，軍民融合大展宏圖

    沈陽飛機設計研究所在國家 3 個五年計劃的持續(xù)支持下，結合在研型號研制，在飛機結構增材技術領域取得了舉世矚目的成就，深刻認識增材技術發(fā)展的核心是技術創(chuàng)新，在注重關鍵工藝的同時，發(fā)揮設計創(chuàng)新引領作用，更好地挖掘增材技術的巨大潛力。為此，沈陽飛機設計研究所與北京航空航天大學、西北工業(yè)大學、西安交通大學、中航工業(yè)625所等國內(nèi)增材技術優(yōu)勢單位合作，從創(chuàng)新源頭出發(fā)，開展了從結構創(chuàng)新設計到原理驗證、工藝優(yōu)化、綜合驗證、快速試制，直至工程應用的覆蓋九級成熟度的“政、產(chǎn)、學、研、用”結合的一條龍發(fā)展路線，形成了成熟設計思想與方法。

    2016 年 1 月 22 日，遼寧省增材制造產(chǎn)業(yè)共性技術創(chuàng)新平臺合作框架協(xié)議簽署暨揭牌儀式在中航工業(yè)沈陽所飛行器仿真中心隆重舉行。這個平臺以沈陽所新型功能結構實驗室軍用增材技術為依托，集結了省內(nèi)多家優(yōu)勢單位，力求建成綜合實力和技術研發(fā)水平國內(nèi)領先的創(chuàng)新型增材技術產(chǎn)業(yè)平臺。創(chuàng)新平臺重點致力于軍民共用的增材技術創(chuàng)新研究、技術開發(fā)、成果轉化及應用推廣，打造一條龍技術發(fā)展鏈條，形成健全的開放服務能力，面向遼寧省民用航空、汽車工業(yè)、海洋工程、智能制造等產(chǎn)業(yè)的重大高端裝備研制轉型及科技平臺創(chuàng)新的需求開展服務。按計劃到 2018 年，將全面完成平臺建設，形成具有自主特色的軍民融合增材技術研究體系和國內(nèi)領先的增材技術研發(fā)能力，并建成我國第一個工業(yè)級、全產(chǎn)業(yè)鏈增材技術研發(fā)基地和第一個增材技術軍轉民技術產(chǎn)業(yè)孵化平臺。

    已經(jīng)有不止一人預言，在未來工業(yè)領域應用方面，金屬 3D 打印將擁有強大的競爭力。現(xiàn)在桌面 3D 打印機打印出來的普通的成品大都是塑料制品，主要用來展示及模型等，在實用性方面還有所欠缺。但隨著科技發(fā)展和推廣應用需求，利用快速成形直接制造金屬功能零件，將成為了快速成形主要的發(fā)展方向。

    后記：

    金屬零件增材技術作為整個 3D 打印體系中最為前沿和最具潛力的技術，是先進制造技術的重要發(fā)展方向，它所能呈現(xiàn)的功用和空間無法預料。相信未來，沈陽飛機設計研究所的增材技術將成為經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新的璀璨新星。 

    企業(yè)簡介：

    沈陽飛機設計研究所（簡稱六O一所）是中國航空工業(yè)集團公司直屬科研事業(yè)單位，成立于1961年，是新中國組建最早的飛機設計研究所，主要從事戰(zhàn)斗機的總體設計與研究工作。六O一所科研實力雄厚，專業(yè)設置齊全，涵蓋了飛機設計、試驗驗證和技術支持三大類，共計54個重點專業(yè)領域、158個設計專業(yè)。設計手段先進，覆蓋全所的計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)，形成了以計算機輔助設計、工程分析、型號管理為主的應用系統(tǒng)，具備了進行飛機全機三維數(shù)字化設計制造能力和手段，可同時進行多個型號設計。試驗設施完備，擁有國內(nèi)先進的飛機控制工程綜合試驗室、全機電磁兼容性實驗室等25個配套設施齊全的重點專業(yè)試驗室，具備大規(guī)模數(shù)字化仿真設計驗證環(huán)境。研究所現(xiàn)有職工2000余人，其中專業(yè)技術和管理人員1300余人，研究員級的100余名，高級工程師級的近400名，院士3名，博導6人，博士后5人，有70多位專家享受政府特殊津貼。