近日，為擺脫對國外火箭發(fā)射系統(tǒng)的依賴，美國空軍向私人航天公司SpaceX與和Orbital ATK拋出了一份總價(jià)高達(dá)2.41億美元的大合同。這兩家公司將為空軍研制先進(jìn)的火箭發(fā)動機(jī)原型，而3D打印技術(shù)將在其中扮演關(guān)鍵的角色。
美國私人航天公司SpaceX
過去的幾年，各國軍事部門和航空航天部門對于3D打印技術(shù)可謂是情有獨(dú)鐘，尤其是對于美國這樣一個軍事大國來說，用到3D打印技術(shù)的頻率越來越高。比如，2014年，在其埃塞克斯號航空母艦上安裝了一臺金屬3D打印機(jī)，而在幾個星期以前，他們又分別為杜魯門號航母和奇沙冶號航母各配備了一臺3D打印設(shè)備。今年7月份，美國國防部武器供應(yīng)商雷神公司對外宣稱，他們已經(jīng)使用了3D打印技術(shù)制作了制導(dǎo)武器的幾乎所有組成部分，這包括3D打印的火箭發(fā)動機(jī)，用于引導(dǎo)和控制系統(tǒng)的部件，導(dǎo)彈本身，導(dǎo)彈翅片。未來，雷神公司的3D打印導(dǎo)彈可能就會出現(xiàn)在戰(zhàn)場上。寫到這里，筆者就想，3D打印為何總受到軍事領(lǐng)域航空航天領(lǐng)域的青睞？一起分析一下就知道了。
美國杜魯門號航母
3D打印技術(shù)作為第三次工業(yè)革命制造領(lǐng)域的典型代表技術(shù)，3D打印的發(fā)展時(shí)刻受到社會各界的廣泛關(guān)注。尤其是航空航天制造企業(yè)，更是不惜耗費(fèi)大量財(cái)力、物力加大研發(fā)力度，以確保自己的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢。
雷神公司3D打印導(dǎo)彈系統(tǒng)
作為工業(yè)界皇冠上的璀璨明珠，航空航天制造領(lǐng)域集成了一個國家所有的高精尖技術(shù)，而金屬3D打印技術(shù)作為一項(xiàng)全新的制造技術(shù)，其在軍事領(lǐng)域以及航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢突出，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
1、縮短新型航空航天裝備的研發(fā)周期
3D打印技術(shù)省去了零部件的模具鑄造
航空航天技術(shù)是國防實(shí)力的象征，也是國家政治的體現(xiàn)形式，世界各國之間競爭異常激烈，因此，各國都想試圖以更快的速度研發(fā)出更新的武器，使自己在國防領(lǐng)域處于不敗之地。而金屬3D打印技術(shù)讓高性能金屬零部件，尤其是高性能大構(gòu)建的制造流程大為縮短。無需研發(fā)零件制造過程中使用的模具，這樣就可以極大地縮短產(chǎn)品研發(fā)制造周期。
2.提高材料的利用率，節(jié)約昂貴的戰(zhàn)略材料，降低制造成本
航空航天制造領(lǐng)域大都是在使用價(jià)格昂貴的戰(zhàn)略材料，比如像鈦合金、鎳基高溫合金等難加工的金屬材料。傳統(tǒng)制造方法對材料的使用率很低，一般不會超過2%—5%，材料的極大浪費(fèi)也就意味著機(jī)械加工的程序復(fù)雜，生產(chǎn)時(shí)間周期長。如果是那些難以加工的技術(shù)零件，加工周期會大幅度增加，制造周期明顯延長，從而造成制造成本的增加。3D打印技術(shù)只需進(jìn)行少量的后續(xù)處理即可投入使用，材料的使用率達(dá)到了60%，有的甚至達(dá)到了90%以上，可以降低制造成本，節(jié)約原材料。
3.優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)，減輕重量，增加使用壽命
對于航空航天武器裝備而言，減輕重量是永恒不變的主題，不僅可以增加飛行裝備在飛行過程中的靈活度，而且增加載重量，節(jié)省燃油，降低飛行成本。傳統(tǒng)制造方法已經(jīng)將零件減重發(fā)揮到了極致，但3D打印技術(shù)的應(yīng)用，可以優(yōu)化復(fù)雜零部件的結(jié)構(gòu)，在保證性能的前提下，將復(fù)雜結(jié)構(gòu)變換重新設(shè)計(jì)成簡單結(jié)構(gòu)，從而起到減輕重量的效果。3D打印技術(shù)通過優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)，使零件的應(yīng)力呈現(xiàn)出最合理化的分布，減少疲勞裂紋產(chǎn)生的危險(xiǎn)，從而增加使用壽命。
4.零件的修復(fù)成型
金屬3D打印技術(shù)，除用于生產(chǎn)制造之外，其在金屬高性能零件修復(fù)方面的應(yīng)用價(jià)值絕不低于其制造本身。就目前情況而言，金屬3D打印技術(shù)在修復(fù)成型方面所表現(xiàn)出的潛力甚至是高于其制造本身。以高性能整體渦輪葉盤零件為例，當(dāng)某一葉片受損，則整個渦輪葉盤將報(bào)廢，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)百萬元。
金屬3D打印技術(shù)在修復(fù)零件方面的優(yōu)勢非常明顯
而使用了3D打印技術(shù)以后，在受損部位進(jìn)行激光立體成型，就可以恢復(fù)零件形狀，且性能滿足使用要求，甚至是高于基材的使用性能。由于3D打印過程中的可控性，其修復(fù)帶來的負(fù)面影響很有限。
以上是3D打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢，其技術(shù)優(yōu)勢明顯，但也絕不是意味著金屬3D打印是無所不能的，在實(shí)際生產(chǎn)中，其技術(shù)應(yīng)用還有很多亟待解決的問題，比如，3D打印還無法適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)，滿足不了高精度需求，無法實(shí)現(xiàn)高效率制造等。
而且，設(shè)備成本高居不下也是制約3D打印技術(shù)發(fā)展的一大因素，很多民用領(lǐng)域還無法承擔(dān)起如此高昂的設(shè)備制造成本。隨著材料技術(shù)、計(jì)算機(jī)以及激光技術(shù)的不斷發(fā)展，制造成本將會不斷降低，滿足制造業(yè)對生產(chǎn)成本的承受能力，未來的3D打印技術(shù)一定會在制造領(lǐng)域綻放光芒。
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