 |
| 資料圖：中國新一代戰機殲-31空中飛行。 | 殲-15、殲-16、殲-31……近年來，中國軍事科技突飛猛進，以先進戰機為代表的各種尖端武器密集亮相，讓世界看花了眼。近日，在全國兩會上，全國政協委員、殲-15總設計師孫聰爆出了中國軍工迅速發展的秘密——領先世界的3D打印技術。這項被英國《經濟學人》認為“將推動實現第三次工業革命”的技術，早已引發美國、歐洲諸國的激烈鏖戰，“戰火”從太空一直蔓延到器官移植，從F-35、F-22等先進武器“燒”到每個人的日常用品，現在中國竟後來居上，確實讓美歐大吃一驚。
3D打印助推中國新戰機研製
《世界報》報道，全國兩會上匯集着中國最耀眼的各路“明星”，這當然包括全國政協委員、中航工業副總工程師、中國航母艦載機殲-15總設計師孫聰。2012年11月，殲-15艦載機在中國首艘航母“遼寧艦”成功起降，讓這位科技明星成了記者追逐的對象。
“對不起，對不起，這些真不能說”，面對記者提出的幾個有關艦載機的問題，擔心一開口就說出秘密的孫聰始終微笑着守口如瓶，但還是在不死心的記者“逼問”下，透露了不少“秘密”。
“我想說的是，2012年是我國中航工業和我國航空工業井噴之年。讓世界震驚的不光是技術，更因為航空工業發展體現了中國速度”，面對《科技日報》的專訪，孫聰說。作為我國自行設計研製的首型艦載多用途戰鬥機，殲-15可以說 “高起點，高起步，從一無所有一下子跨越到第三代戰鬥機的艦載機，殲-15達到美國最先進的第三代艦載機‘大黃蜂’的技術水準。”
從沒有技術儲備、技術規範、經驗、人才隊伍的一張白紙做起，殲-15如何實現這一飛躍？孫聰透露，殲-15項目率先採用了數字化協同設計理念：三維數字化設計改變了設計流程，提高了試製效率；五級成熟度管理模式，衝破設計和製造的組織壁壘，而這與3D打印技術關繫緊密。他透露，鈦合金和M100鋼的3D打印技術已應用於新機試製過程，主要是主承力部分。
在傳統的戰鬥機製造流程當中，飛機的3D模型設計好後，需要進行長期的投入來製造水壓成型設備，而使用3D打印這種增材製造技術後，零件的成型速度、應用速度得以大幅度提高。如果不是採用3D打印的增材製造技術，殲-15戰鬥機至今能否首飛都很難講。
“鈦合金3D打印技術已用於新機研製”，這一條消息立刻成為媒體矚目的焦點。《京華時報》引述孫聰的話說，鈦合金和M100鋼的3D打印技術已廣泛用於新機設計試製過程。報道稱，於去年10月至11月首飛成功的機型，廣泛使用了3D打印技術製造鈦合金主承力部分，包括整個前起落架。“2002年，3D打印技術剛萌芽時，我們就進行相關技術研發，通過與北航的合作，目前已具備一定產業能力。”
同時擔任“鶻鷹”飛機(殲-31)總設計師的孫聰透露另一個好消息，希望“鶻鷹”飛機未來和殲-20進行高低任務搭配，保持持續打擊能力，同時也希望“鶻鷹”的改進版能成為中國下一代艦載機。相信在3D打印技術的支持下，這一天也會很快到來。
美國空軍敏銳抓住“3D打印”
用3D打印技術製造戰機，中國並不是第一家。1984年，美國開發出從數字數據打印出3D物體的技術，並在2年後開發出第一台商業3D打印機。之所以叫“打印機”，是因為它借鑑了打印機的噴墨技術，只不過，普通的打印機是在紙上噴一層墨粉，形成二維(2D)文字或圖形，而3D打印則能“打”出三維的立體實物來。
以一個手電筒為例，3D打印機能通過電腦將手電筒進行立體掃描，創建三維設計圖，之後對這個立體原型進行“切片”，分成一層一層的，之後，打印機就將原材料按照設計圖一層一層地“噴”上去，直到最終造出一個手電筒來，只不過3D打印機噴出的不是墨粉，而是融化的樹脂、金屬或者陶瓷等材料。
傳統數控製造主要是“去除型”，即在原材料基礎上，使用切割、磨削、腐蝕、熔融等辦法，去除多餘部分，得到零部件，再以拼裝、焊接等方法組合成最終產品，而3D打印則顛覆了這一觀念，無需原胚和模具，就能直接根據計算機圖形數據，通過一層層增加材料的方法直接造出任何形狀的物體，這不僅縮短產品研製周期、簡化產品的製造程序，提高效率，而且大打降低了成本，因此被稱為“增材製造”。
美國空軍一下子就被這種新技術吸引，他們認為，如果將這種技術用在武器製造上，產生的威力將是驚人的。在航空工業上廣泛被使用的一種金屬是鈦，它的密度只有鋼鐵的一半，強度卻遠勝於絕大多數合金，如果通過激光將鈦熔化並一層層噴出飛機來，無疑將大大提高美國戰機的製造速度。為此，1985年，在五角大樓主導下，美國秘密開始了鈦合金激光成形技術研究，1992年這項技術才公之於眾，在2002年，美國已將激光成形鈦合金零件裝上了戰機。
不過，由於在製造過程中鈦合金變形、斷裂的技術難題無法解決，美國始終無法生產高強度、大尺寸的激光成形鈦合金構件。2005年，美國從事鈦合金激光成型製造業務的商業公司Aeromet由於始終無法生產出性能滿足主承力要求的大尺寸複雜鈦合金構件，沒能實現有價值的市場應用而倒閉。美國的其他國家實驗室也無法攻克這一難題，只能進行小尺寸鈦合金部件的打印或進行鈦合金零件表面修復。
中國領跑神奇的“3D打印”
中國的鈦合金激光成形技術起步較晚，直到1995年美國解密其研發計劃3年後才開始投入研究。早期基本屬於跟隨美國的學習階段，不過卻後來居上，其中，中航激光技術團隊取得的成就最為顯着。“觀察者網”文章表示，早在2000年前後，中航激光技術團隊就已開始投入“3D激光焊接快速成型技術”研發，解決了多項世界技術難題、生產出結構複雜、尺寸達到4米量級、性能滿足主承力結構要求的產品。
目前，中國已具備了使用激光成形超過12平方米的複雜鈦合金構件的技術和能力，成為目前世界上唯一掌握激光成形鈦合金大型主承力構件製造、應用的國家。在解決了材料變形和缺陷控制的難題後，中國生產的鈦合金結構部件迅速成為中國航空力量的一項獨特優勢，目前，中國先進戰機上的鈦合金構件所占比例已超過20%。
如果與傳統製造技術做一個對比，就會對中國近年新飛機接連亮相的原因有個大概了解。傳統鈦合金零件製造，主要依靠鑄造和鍛造，其中鑄造零件用於大尺寸製造，美國F-22戰機的主要承力部件便是大型鑄造鈦合金框，但鑄造的零件重量較大且無法加工成精細的形狀；鍛造切削精度較好，但零件製造浪費嚴重，原料的95%都會被作為廢料切掉。讓飛機製造商頭疼的是，由於受到機器的限制，鍛造鈦合金的尺寸也不能過大。3萬噸大型水壓機只能鍛造不超過0.8平方米的零件，即使世界最大的8萬噸水壓機，鍛造的零件尺寸也不能超過4.5平方米。而且這兩種技術都無法製造複雜的鈦合金構件，而焊接則會遇到可怕的鈦合金腐蝕現象。
激光鈦合金成形技術則完全解決了這一系列難題，它節約了90%的昂貴的原材料，還不需要製造專用模具，原本相當於材料成本1-2倍的加工費現在只需原來的10%。加工1噸重的鈦合金複雜結構件，傳統工藝成本大約2500萬元，而激光3D焊接快速成型技術的成本僅130萬元左右，僅是傳統工藝的5%。
更重要的是，許多複雜結構的鈦合金構件可以通過3D打印的方式一體成型，不僅節省了工時，還大大提高了材料強度。“觀察者網”文章表示，美國F-22戰機的鈦合金鍛件如果使用中國的3D打印技術製造，在強度相當的情況下，重量最多可減少40%。文章表示，在航空領域，在中航成飛和沈飛的下一代戰鬥機設計研發中，激光鈦合金成形技術已得到廣泛運用。通過這一技術，正在研製的兩型第五代戰鬥機殲-20和殲-31採用鈦合金的主體結構，成功降低了飛機的結構重量，提高了戰機的推重比；沈飛在一年之內連續組裝出殲-15、殲-16、殲-31等多型戰鬥機並試飛，很大程度上得益於鈦合金3D打印的低成本和快速、便捷。
此外，中國民用航空製造業也開始應用這一技術。在西北工業大學凝固技術國家重點實驗室下設的激光製造工程中心，通過激光立體成型技術為將於2014年投產、2016年投入運營的國產客機C-919製造了鈦合金翼梁，長度超過5米。除製造外，這些部件即使出現問題，也可以使用同樣的技術進行修復，而無需重新製造，這將可以節省大量用於更換受損部件的費用。憑藉激光鈦合金成形技術，中國在航空材料科學領域第一次走在了世界先進水平的前列，正因為如此，今年1月18日，國務院向“飛機鈦合金大型複雜整體構件激光成形技術”頒發國家技術發明獎一等獎。
■“3D大戰”真的來了
中國在鈦合金3D打印技術上的突飛猛進，使該領域的先行者美國甚為着急。今年1月14日，美國Sciaky公司宣布，他們已成功掌握了突破性的直接製造技術，使用電子束進行鈦合金3D打印，製造的零件尺寸可以達到5.8米×1.2米×1.2米。
Sciaky表示，自己找到了一種比激光更厲害的能量源：電子束。利用功率高達42千瓦的電子束槍，Sciaky的3D打印機可達到超高速，每小時能打印15-40磅金屬鈦，而大多數競爭者僅能達到每小時5磅。從數據上看，這一打印速度和零件尺寸已超過中國。不久前，中國西北工業大學剛用鈦合金激光3D打印技術生產了長度為5米的飛機主承力梁，而中航3D激光打印技術則可打印4米×3米×2米的零件，雖在長度上不如美國，但在面積上仍領先美國。
美國空軍和軍工巨頭洛克希德.馬丁公司立即宣布，與 Sciaky加強合作，用該公司生產的襟副翼翼梁裝備正在生產的F-35戰鬥機。據估計，如果3000多架戰機都使用這種技術製造零部件，不僅大大提高“難產”的F-35戰機的部署速度，而且還能節省數十億美元成本。目前，使用3D打印鈦合金零件的F-35已經進行了試飛。
“3D大戰”的“戰火”已蔓延至太空。2012年7月，美國太空網透露，美國宇航局(NASA)正在測試新一代3D打印機，可以在繞地球飛行時製造設備零部件，並希望把這種打印機送到火星上。早在2002年，NASA就研製出3D打印機，能按要求在短短幾小時內為建築物組件或工具製造金屬零件。不過，由於打印機有些笨重，NASA一直在進行改進。一旦成功，這對美國的太空霸權無異於如虎添翼。宇宙飛船里可謂真正的寸土寸金，一旦飛船上面的某個零部件壞了，想換一個新的非常困難，而攜帶備用零件的話會增加飛船體積和重量。飛船升空時帶上一台3D打印機，宇航員們就只需攜帶所需的金屬絲物料，不用攜帶零部件成品，節省空間的同時減輕了負載，更重要的是，他們幾乎可以按需打印任何物品，上太空時，也無需擔心發射時遺漏物資和設備。
這一消息讓另一航天大鱷——歐洲有些坐不住。今年2月初，歐洲航天局宣布，將利用3D打印技術在月球上建立首個人類基地，據英國《每日郵報》報道，歐洲航天局計劃讓機器人攜帶3D打印機“空降”到月球上，它們將就地取材，利用3D打印技術將月球上的原始土壤轉變成建築材料。歐洲航天局表示，月球基地建築材料的90%都可能實現就地取材。歐洲太空專家表示，一切進展順利的話，該月球基地有望在未來40年內投入使用。
對於各個大國來說，在這場“3D大戰”中的輸贏可能決定未來的命運。與航空航天業相比，3D技術早已在其他工業製造、生物醫療、建築工程、個人化定製等領域廣泛應用。由於只需要一張三維圖就可以“製造任何東西”，如果3D打印機進入家庭，每個人都可以是一家工廠。英國《經濟學人》雜誌認為3D打印技術將“與其他數字化生產模式一起推動實現第三次工業革命”，整個世界的製造業與物流格局都會因此被徹底顛覆。
美國已將3D打印視為再次奪回製造業大國地位的重要技術。據《經濟日報》報道，2011年，中國在工業規模上壓倒美國，成為世界第一工業國。此前只有英國和美國兩個世界霸主曾占據這一位置。雖然美國依然有發達的金融業和強大的軍隊，但還是有不少美國人擔心美國會因此衰落，而與中國廉價勞動力競爭的一個途徑就是通過改進製造技術，提高生產率，通過一台台3D打印機，將那些製造業從中國工人的手上奪回去，打破中國“製造大國”的地位。
《湖北日報》表示，在即將到來的第三次工業革命這一歷史時刻，中國如果趕不上、抓不住機會，良好發展態勢可能會受到影響，就像當年英國人用紡織機“打敗”中國、印度的手工織品一樣。面對歐美咄咄逼人的攻勢，中國必須增強憂患意識。令人欣喜的是，在這場“3D大戰”中，發達國家目前雖有優勢，但我們的差距並不大，如果中國及時重點布局，完全可能“彎道超車”。 | |
