中国领跑神奇3D打印 各种尖端武器密将亮相

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歼-15、歼-16、歼-31……近年来，中国军事科技突飞猛进，以先进战机为代表的各种尖端武器密集亮相，让世界看花了眼。近日，在全国两会上，全国政协委员、歼-15总设计师孙聪爆出了中国军工迅速发展的秘密——领先世界的3d打印技术。这项被英国《经济学人》认为“将推动实现第三次工业革命”的技术，早已引发美国、欧洲诸国的激烈鏖战，“战火”从太空一直蔓延到器官移植，从F-35、F-22等先进武器“烧”到每个人的日常用品，现在中国竟后来居上，确实让美欧大吃一惊。

3D打印助推中国新战机研制

　　全国两会上汇集着中国最耀眼的各路“明星”，这当然包括全国政协委员、中航工业副总工程师、中国航母舰载机歼-15总设计师孙聪。2012年11月，歼-15舰载机在中国首艘航母“辽宁舰”成功起降，让这位科技明星成了记者追逐的对象。
　　“对不起，对不起，这些真不能说”，面对记者提出的几个有关舰载机的问题，担心一开口就说出秘密的孙聪始终微笑着守口如瓶，但还是在不死心的记者“逼问”下，透露了不少“秘密”。
　　“我想说的是，2012年是我国中航工业和我国航空工业井喷之年。让世界震惊的不光是技术，更因为航空工业发展体现了中国速度”，面对《科技日报》的专访，孙聪说。作为我国自行设计研制的首型舰载多用途战斗机，歼-15可以说“高起点，高起步，从一无所有一下子跨越到第三代战斗机的舰载机，歼-15达到美国最先进的第三代舰载机‘大黄蜂’的技术水准。”
　　从没有技术储备、技术规范、经验、人才队伍的一张白纸做起，歼-15如何实现这一飞跃？孙聪透露，歼-15项目率先采用了数字化协同设计理念：三维数字化设计改变了设计流程，提高了试制效率;五级成熟度管理模式，冲破设计和制造的组织壁垒，而这与3D打印技术关系紧密。他透露，钛合金和M100钢的3D打印技术已应用于新机试制过程，主要是主承力部分。
　　在传统的战斗机制造流程当中，飞机的3D模型设计好后，需要进行长期的投入来制造水压成型设备，而使用3D打印这种增材制造技术后，零件的成型速度、应用速度得以大幅度提高。如果不是采用3D打印的增材制造技术，歼-15战斗机至今能否首飞都很难讲。
　　“钛合金3D打印技术已用于新机研制”，这一条消息立刻成为媒体瞩目的焦点。《京华时报》引述孙聪的话说，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。报道称，于去年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。“2002年，3D打印技术刚萌芽时，我们就进行相关技术研发，通过与北航的合作，目前已具备一定产业能力。”
　　同时担任“鹘鹰”飞机(歼-31)总设计师的孙聪透露另一个好消息，希望“鹘鹰”飞机未来和歼-20进行高低任务搭配，保持持续打击能力，同时也希望“鹘鹰”的改进版能成为中国下一代舰载机。相信在3D打印技术的支持下，这一天也会很快到来。

　　美国空军敏锐抓住“3D打印”

　　用3D打印技术制造战机，中国并不是第一家。1984年，美国开发出从数字数据打印出3D物体的技术，并在2年后开发出第一台商业3D打印机。之所以叫“打印机”，是因为它借鉴了打印机的喷墨技术，只不过，普通的打印机是在纸上喷一层墨粉，形成二维(2D)文字或图形，而3D打印则能“打”出三维的立体实物来。
　　以一个手电筒为例，3D打印机能通过电脑将手电筒进行立体扫描，创建三维设计图，之后对这个立体原型进行“切片”，分成一层一层的，之后，打印机就将原材料按照设计图一层一层地“喷”上去，直到最终造出一个手电筒来，只不过3D打印机喷出的不是墨粉，而是融化的树脂、金属或者陶瓷等材料。
　　传统数控制造主要是“去除型”，即在原材料基础上，使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法，去除多余部分，得到零部件，再以拼装、焊接等方法组合成最终产品，而3D打印则颠覆了这一观念，无需原胚和模具，就能直接根据计算机图形数据，通过一层层增加材料的方法直接造出任何形状的物体，这不仅缩短产品研制周期、简化产品的制造程序，提高效率，而且大打降低了成本，因此被称为“增材制造”。
　　美国空军一下子就被这种新技术吸引，他们认为，如果将这种技术用在武器制造上，产生的威力将是惊人的。在航空工业上广泛被使用的一种金属是钛，它的密度只有钢铁的一半，强度却远胜于绝大多数合金，如果通过激光将钛熔化并一层层喷出飞机来，无疑将大大提高美国战机的制造速度。为此，1985年，在五角大楼主导下，美国秘密开始了钛合金激光成形技术研究，1992年这项技术才公之于众，在2002年，美国已将激光成形钛合金零件装上了战机。
　　不过，由于在制造过程中钛合金变形、断裂的技术难题无法解决，美国始终无法生产高强度、大尺寸的激光成形钛合金构件。2005年，美国从事钛合金激光成型制造业务的商业公司Aeromet由于始终无法生产出性能满足主承力要求的大尺寸复杂钛合金构件，没能实现有价值的市场应用而倒闭。美国的其他国家实验室也无法攻克这一难题，只能进行小尺寸钛合金部件的打印或进行钛合金零件表面修复。

中国领跑神奇的“3D打印”

　　中国的钛合金激光成形技术起步较晚，直到1995年美国解密其研发计划3年后才开始投入研究。早期基本属于跟随美国的学习阶段，不过却后来居上，其中，中航激光技术团队取得的成就最为显著。“观察者网”文章表示，早在2000年前后，中航激光技术团队就已开始投入“3D激光焊接快速成型技术”研发，解决了多项世界技术难题、生产出结构复杂、尺寸达到4米量级、性能满足主承力结构要求的产品。
　　目前，中国已具备了使用激光成形超过12平方米的复杂钛合金构件的技术和能力，成为目前世界上唯一掌握激光成形钛合金大型主承力构件制造、应用的国家。在解决了材料变形和缺陷控制的难题后，中国生产的钛合金结构部件迅速成为中国航空力量的一项独特优势，目前，中国先进战机上的钛合金构件所占比例已超过20%。
　　如果与传统制造技术做一个对比，就会对中国近年新飞机接连亮相的原因有个大概了解。传统钛合金零件制造，主要依靠铸造和锻造，其中铸造零件用于大尺寸制造，美国F-22战机的主要承力部件便是大型铸造钛合金框，但铸造的零件重量较大且无法加工成精细的形状;锻造切削精度较好，但零件制造浪费严重，原料的95%都会被作为废料切掉。让飞机制造商头疼的是，由于受到机器的限制，锻造钛合金的尺寸也不能过大。3万吨大型水压机只能锻造不超过0.8平方米的零件，即使世界最大的8万吨水压机，锻造的零件尺寸也不能超过4.5平方米。而且这两种技术都无法制造复杂的钛合金构件，而焊接则会遇到可怕的钛合金腐蚀现象。
　　激光钛合金成形技术则完全解决了这一系列难题，它节约了90%的昂贵的原材料，还不需要制造专用模具，原本相当于材料成本1-2倍的加工费现在只需原来的10%。加工1吨重的钛合金复杂结构件，传统工艺成本大约2500万元，而激光3D焊接快速成型技术的成本仅130万元左右，仅是传统工艺的5%。
　　更重要的是，许多复杂结构的钛合金构件可以通过3D打印的方式一体成型，不仅节省了工时，还大大提高了材料强度。“观察者网”文章表示，美国F-22战机的钛合金锻件如果使用中国的3D打印技术制造，在强度相当的情况下，重量最多可减少40%。文章表示，在航空领域，在中航成飞和沈飞的下一代战斗机设计研发中，激光钛合金成形技术已得到广泛运用。通过这一技术，正在研制的两型第五代战斗机歼-20和歼-31采用钛合金的主体结构，成功降低了飞机的结构重量，提高了战机的推重比;沈飞在一年之内连续组装出歼-15、歼-16、歼-31等多型战斗机并试飞，很大程度上得益于钛合金3D打印的低成本和快速、便捷。
　　此外，中国民用航空制造业也开始应用这一技术。在西北工业大学凝固技术国家重点实验室下设的激光制造工程中心，通过激光立体成型技术为将于2014年投产、2016年投入运营的国产客机C-919制造了钛合金翼梁，长度超过5米。除制造外，这些部件即使出现问题，也可以使用同样的技术进行修复，而无需重新制造，这将可以节省大量用于更换受损部件的费用。凭借激光钛合金成形技术，中国在航空材料科学领域第一次走在了世界先进水平的前列，正因为如此，今年1月18日，国务院向“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”颁发国家技术发明奖一等奖。

“3D大战”真的来了

　　中国在钛合金3D打印技术上的突飞猛进，使该领域的先行者美国甚为着急。今年1月14日，美国Sciaky公司宣布，他们已成功掌握了突破性的直接制造技术，使用电子束进行钛合金3D打印，制造的零件尺寸可以达到5.8米×1.2米×1.2米。
　　Sciaky表示，自己找到了一种比激光更厉害的能量源：电子束。利用功率高达42千瓦的电子束枪，Sciaky的3D打印机可达到超高速，每小时能打印15-40磅金属钛，而大多数竞争者仅能达到每小时5磅。从数据上看，这一打印速度和零件尺寸已超过中国。不久前，中国西北工业大学刚用钛合金激光3D打印技术生产了长度为5米的飞机主承力梁，而中航3D激光打印技术则可打印4米×3米×2米的零件，虽在长度上不如美国，但在面积上仍领先美国。
　　美国空军和军工巨头洛克希德·马丁公司立即宣布，与Sciaky加强合作，用该公司生产的襟副翼翼梁装备正在生产的F-35战斗机。据估计，如果3000多架战机都使用这种技术制造零部件，不仅大大提高“难产”的F-35战机的部署速度，而且还能节省数十亿美元成本。目前，使用3D打印钛合金零件的F-35已经进行了试飞。
　　“3D大战”的“战火”已蔓延至太空。2012年7月，美国太空网透露，美国宇航局(NASA)正在测试新一代3D打印机，可以在绕地球飞行时制造设备零部件，并希望把这种打印机送到火星上。早在2002年，NASA就研制出3D打印机，能按要求在短短几小时内为建筑物组件或工具制造金属零件。不过，由于打印机有些笨重，NASA一直在进行改进。一旦成功，这对美国的太空霸权无异于如虎添翼。宇宙飞船里可谓真正的寸土寸金，一旦飞船上面的某个零部件坏了，想换一个新的非常困难，而携带备用零件的话会增加飞船体积和重量。飞船升空时带上一台3D打印机，宇航员们就只需携带所需的金属丝物料，不用携带零部件成品，节省空间的同时减轻了负载，更重要的是，他们几乎可以按需打印任何物品，上太空时，也无需担心发射时遗漏物资和设备。
　　这一消息让另一航天大鳄——欧洲有些坐不住。今年2月初，欧洲航天局宣布，将利用3D打印技术在月球上建立首个人类基地，据英国《每日邮报》报道，欧洲航天局计划让机器人携带3D打印机“空降”到月球上，它们将就地取材，利用3D打印技术将月球上的原始土壤转变成建筑材料。欧洲航天局表示，月球基地建筑材料的90%都可能实现就地取材。欧洲太空专家表示，一切进展顺利的话，该月球基地有望在未来40年内投入使用。
　　对于各个大国来说，在这场“3D大战”中的输赢可能决定未来的命运。与航空航天业相比，3D技术早已在其他工业制造、生物医疗、建筑工程、个人化定制等领域广泛应用。由于只需要一张三维图就可以“制造任何东西”，如果3D打印机进入家庭，每个人都可以是一家工厂。英国《经济学人》杂志认为3D打印技术将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”，整个世界的制造业与物流格局都会因此被彻底颠覆。
　　美国已将3D打印视为再次夺回制造业大国地位的重要技术。据《经济日报》报道，2011年，中国在工业规模上压倒美国，成为世界第一工业国。此前只有英国和美国两个世界霸主曾占据这一位置。虽然美国依然有发达的金融业和强大的军队，但还是有不少美国人担心美国会因此衰落，而与中国廉价劳动力竞争的一个途径就是通过改进制造技术，提高生产率，通过一台台3D打印机，将那些制造业从中国工人的手上夺回去，打破中国“制造大国”的地位。
　　《湖北日报》表示，在即将到来的第三次工业革命这一历史时刻，中国如果赶不上、抓不住机会，良好发展态势可能会受到影响，就像当年英国人用纺织机“打败”中国、印度的手工织品一样。面对欧美咄咄逼人的攻势，中国必须增强忧患意识。令人欣喜的是，在这场“3D大战”中，发达国家目前虽有优势，但我们的差距并不大，如果中国及时重点布局，完全可能“弯道超车”。