你知道为什么庞大的歼16列装数量能让俄罗斯原版苏霍伊望尘莫及、歼20产量在近几年翻上几翻的吗?这要归功于中国已经将“3D打印制造技术”应用在了战机生产线上,而这项尖端技术中国已经是遥遥领先,成果已经上机,而美国海军还在对3D打印的战机零部件。
做各种飞行测试,进度远远落后中国。年7月29日,美国一架MV-22B鱼鹰倾转旋翼机在马里兰州一个航空站完成试飞,这架飞机的发动机舱钛金属组件就是3D打印的,这是美海军第一次使用3D打印关键部件飞机的首次试飞。而我国沈飞“罗阳青年突击队”队员李晓丹在一次接受央视采访时说道——“中国3D打印技术在飞机上的应用已经达到了规模化、工程化,在前一段首飞的新研型号上,3D打印件已经批量装机了”。
这架新研型号是什么战机呢?央视在纪录片《砺剑》中透露了这样一段画面,航空工业厂的工人们正在组装FC-31鹘鹰战机早期原理样机的过程,里面正在进行对接机身分段的主结构就是3D打印出来的。先说说这个罗阳青年突击队,早在10年前,由于沈飞在研制新型战机时对减重量、长寿命、低成本等方面需求急迫,原有的生产方式也触顶天花板,加上当时沈飞罗阳因公殉职,最终在年沈飞决定成立增材制造“罗阳青年突击队”,因此3D打印制造技术也称增材制造技术。
制造业中的传统铸造工艺难以打造大尺寸、薄壁结构的部件,只能依靠焊接拼装来实现大和薄,而3D打印可以突破技术壁垒采用多光束无缝拼接技术,一次性实现整体部件大和薄的快速成形。民用领域,国内企业铂力特研制的3D打印设备实现了工业级尖端金属增材制造装备的国产化,像铂力特卖给空客的3D打印设备就能打印A客机的大型精密零件。而且铂力特还为C大飞机打印了高3.07米的中央翼缘条,是全球无拼接连续成形、尺寸最大的3D打印金属零部件。除此之外,3D打印还能在军用领域打印出战机、无人机、新型导弹和卫星等高尖端领域的零部件。
你可能不知道3D打印在军用领域的作用有多大?国防大学李大光教授这样说——“研发新一代战机一般需要10到20年的时间,而借助3D打印技术,最快甚至只需要三年”。罗阳突击队队员李晓丹口中所说的新型战机,很可能就是在鹘鹰战机基础上完善的歼35。央视《鲁健访谈》节目就曾公开了隐形战机歼35机体结构的主承力框,是利用增材制造技术搞的,而根据王向明院士刊登的《飞机新概念结构设计与工程应用》一文,可以知道使用该技术打造的框架,可以使零件数量减少50%、重量减少38%、翼根高度降低四分之一、制造效率提高10倍以上。
文中还提到喷气式飞机诞生后的70多年里,由于制造工艺限制,导致战机难以突破传统结构的限制。弊端就是战机零部件多而离散,零件间的连接通常以铆接和螺接为主,这里面涉及上百种工艺、数万个零件和数十万个标准件,大量的连接导致结构复杂超重,大零件也会易疲劳导致开裂。传统工艺制造的战机经常整机超重上百公斤,而结构件疲劳开裂占外场损伤总量的80%。就是美国的五代机也不例外,F35从生产线上下来经常超重到公斤,美国还在F22上投入上十亿元进行抗疲劳改进,即使采用精益求精的设计、先进的材料和工艺,但也已经接近天花板了。
对于战机结构制造来说,机身的大框是工序最复杂、加工量最大的一环,在年之前,国内生产战机大型构件的方法是锻造加机加工的方式,当时国内只有一台三万吨的模锻压机,根本没法完成歼20钛合金大框一体化的锻造。当时中国用引进苏27获得的全套技术体系,分别锻造好几个锻件,最终再用电子焊接工艺连接成整体。年4月,中国二重成功搞出全球最大的八万吨模锻压机,歼20的钛合金大框这才能够一次性锻造成形。即使突破了锻造面积的限制,但传统的铸造和锻造仍然无法制造复杂的钛合金构件,零件制造浪费严重,锻造的尺寸也受到严格的限制。直到激光成形技术、也就是3D打印技术的应用,才解决的这一难题。年国家技术发明奖一等奖就颁给了“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”。
歼35的研制历程并非一帆风顺,它的前身是FC-31鹘鹰,沈飞前后搞了两个版本都没有成功,直到年第三个版本才大获成功,并取名歼35。采用增材制造一体成型、也就是3D打印技术的歼35,不仅在整机结构上成功减重,而且由于铆接螺接的数量减少,使得机体强度和机身寿命也得到提升,一次性将主翼梁和机身制造出来,优化了歼35的气动外形,实现了10%的气动减阻。
不仅是歼35,沈飞利用激光增材制造技术同样打印出歼15前起落架中的钛合金支撑部件,不再需要螺钉进行多个部件连接,创造了高起降架次可靠性的记录。而且中国主力战机歼20也已经大量应用了3D打印技术,生产线上的工时和成本也得到了极大降低。运20生产线在过去数年内也迅速普及了该技术,其六种机身和主起落架接头等大型主承力构件在短短7天内就可以完成制造,除此之外,成飞无人机翼龙2至少有八个以上的零部件也用到了3D打印。这里说一个有意思的事儿,年12月俄罗斯联合航空制造集团办了一个针对米格31战机升级的比赛,来自洛夫哥罗德雄鹰飞机制造厂的首席工程师阿列克谢,花了元人民币通过网购从中国买了一台3D打印机,打出了米格31的零件,让米格31项目起死回生,将工序减少了7道,制造一个零件的效率提高了11倍,成本更是降低了98%以上。
总体来说,3D打印技术在战机领域的应用,根据不同的工序和工艺叫法有很多,比如增材制造技术、增材制造一体成型工艺、激光成形技术、激光增材制造技术,本质上都是基于设计制造一体化,突破了传统结构重量和寿命的天花板,使得战机零部件具有高减重、长寿命、多功能、低成本等优势。