20首创，全球第一款成功采用3D打印技术的大型运输机

三维-小维尼

2021-05-07 14:28:53

3D打印是近些年来比较时髦的一项新技术，目前我国在这方面处于世界领先水平。

在航空领域，最典型的就是北京航空航天大学的王华明教授研发团队，他们在“钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”的研究和应用已经持续了20多年，2012年，这项技术获得了国家技术发明一等奖。正是他的研究，使我国成为迄今世界上唯一掌握钛合金大型整体主承力结构件激光快速成形技术并实现装机工程应用的国家，完成了高性能金属构件激光增材制造技术从“追赶”到“超越”的发展历程。

王华明教授很自豪地说，“目前在这一领域我们的研究在国际上处于引领地位”。

飞机、航空发动机等高端装备中一些大型关键结构件，用传统方法制造是非常困难的，代价也是巨大的。3D打印的优势在于，不需要开模，质量可靠，性能优异，尤为重要的一点是，可以大幅实现零件“减重”，降低能耗。通过3D打印技术，既解决了科学前沿问题，又满足了国家重大装备制造需求，实现“弯道超车”。

我国自主研发的大型客机C919机头钛合金主风挡整体窗框，尺寸大、形状复杂，是空间双曲面构件，如果用传统方法，只有一家欧洲公司能做，光每件模具费就要价50万美元。可同样的零件，王华明团队在2009年仅用了55天时间就做出来了，而且成本还不足欧洲公司锻造模具费的十分之一。

王华明团队在运-20的研发过程中，也大量使用了3D打印技术。

运-20飞机总设计师唐长红院士在2018年****期间接受中国航空报记者采访时，曾经说过，我国3D打印的最大件就在大运身上。

那么，运-20上到底应用了哪些3D打印技术呢？

以下全部是根据公开报道进行整理而成，从中不难看出，运-20上应用的3D打印技术还真不少。

1、襟翼滑轮架。

运-20上的襟翼滑轮架，是推动襟翼上下滑动的一个部件，是钛合金的，而且结构空间非常小，要是做组装件，空间不够，整个结构形式得推倒重来，所以设计人员从2008年开始就琢磨一定要用3D打印整体件来替换。北京航空航天大学教授王华明和他的团队临危受命，从设计到3D打印，机械加工、装配，无损检测，北航与多家单位密切合作，使中国成为世界上仅有的实现了激光增材制造大型关键组成构件在重大装备上应用的国家。真正首次批量用到3D打印的大型零件，运-20是首创，后来等到国内3D打印热的时候，运-20已经用了很长时间。

2、起落架支撑接头。

我们知道，运-20 首飞时间是2013年1月26日。但是，在距离首飞节点只有不到20天的时间时，也就是在做第二次起落架强度试验时，发现起落架的支撑接头处有一道浅浅的裂纹。首飞在际，怎么办？当时有两种思路，一种就是冒险去飞，还有一种就是把这个问题解决了，把零件更换了，用新的材料重新加工制造。

为了不让运-20带一丝隐患上天，最后决定请北京航空航天大学王华明教授采用3D打印技术完成接头的制造。3台激光制造设备同时工作，在7天之内，完成了6种规格，10件主起机身对接接头的3D打印，随后进行热处理机械加工、无损检测，全尺寸的静力试验，紧急的装配。这是运-20首飞前最惊心动魄的时刻，参研各方紧密配合，设计、工艺、工人再次协同作业，无缝衔接，而完成全部接头的更换仅仅用时7天。

这就是中国速度，中国3D打印！

3、环凌架。

环凌架如果去加工的话，需要用一个平面800毫米×600毫米、厚度500毫米的钢块，去把它抠成一个部件，去除材料量达99.5％，留下一个骨架才能把它装进去，这要数千个数控加工。通过采用3D打印，直接让它生成了3D的模型，通过激光3D打印的技术一次成形成环凌架产品，再做局部的精加工，使整个部件重量减少得非常明显，而且钢度、强度、疲劳寿命都远远超出预期。

上面提到的去除材料量达99.5％，是什么意思？

其实之前歼-15总师孙聪院士曾在央视的《开讲啦》栏目中讲过：过去一个钛合金航空异型件，100公斤的材料，抠到最后，只有5公斤是有用的，95公斤都是铁屑扔掉了；而采用3D打印增材技术，可能只要6公斤，稍弱一切削就可以使用了。

看到这里大家应该明白了，环凌架去除材料量达99.5％，就是最后只有0.5%的材料是保留下来了，其他99.5％的材料都扔掉了。由此可见，采用3D打印的优势有多明显，既简捷、快速，省料，又不失钢度、强度。

除此之外，3D打印技术还可减轻飞机结构重量。航空工业沈阳所利用国内结构设计新技术、新型结构材料和新工艺将苏-27改进为歼-11B，实现成吨减重，飞机结构强度和推重比明显提高。这里面，3D打印技术功不可没。而对于200多吨的运-20大型运输机，3D打印技术的应用，减重效果应该更明显。