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中航年輕團隊：3D打印飛機零件

2013-10-12 11:41 來源：中國青年報責編：喻小嘜

摘要：: 從幾厘米到幾十厘米高的彎曲金屬板上，布滿了一個個帶有斜角度的小格子，這種被稱為“格柵”的金屬件是飛機上的零件。成品看似簡單，制造卻不一般—3D打印出來。因為它們的彎度和小格子的角度是傳統機械加工不能完成的。

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　　【CPP114】訊：從幾厘米到幾十厘米高的彎曲金屬板上，布滿了一個個帶有斜角度的小格子，這種被稱為“格柵”的金屬件是飛機上的零件。成品看似簡單，制造卻不一般—3D打印出來。因為它們的彎度和小格子的角度是傳統機械加工不能完成的。

　　設計并加工出這種特殊零件的是中航工業北京航空制造工程研究所高能束流加工技術重點實驗室的一群年輕人，平均年齡30出頭，各個專業部門的負責人也都只有三十五六歲。他們完成的一個高420毫米的零件，是世界上至今能夠打印的最大鈦合金飛機零件。

　　這項被通俗地稱為3D打印技術的“增材制造技術”，是把金屬合金粉一層層鋪好，用激光按照設計的路線進行高溫熔化，使零件一層層被打印出來，一個零件要打印上萬層。從10多年前開始涉足這項國際前沿技術，到今天站到了同領域的國際最高點，項目負責人鎖紅波說，這要歸功于實驗室的領頭人—中航工業特種加工技術首席專家鞏水利。

　　今年6月，鞏水利獲得了2013年布魯克獎，這個被譽為國際焊接界諾貝爾獎的獎項，繼9年前授予中國工程院關橋院士后，第二次頒給了中國人。打印鈦合金飛機零件的“增材制造技術”，就脫胎于鞏水利所攻克的激光焊接。

　　“10年前，鞏主任讓我開始研究這項技術時，我還不太理解，因為當時國外也只是研究階段，文獻很少。”這個項目開始時只有鎖紅波一個人摸索，軟件、設備、材料等一切都是零，難度可想而知。鎖紅波不止一次想放棄，但都被鞏水利“逼”著干下去，“鞏主任三天兩頭到實驗室來找我要數據”。

　　試驗慢慢做起來，有些試驗只要一開機，就要連續上百個小時做下去，這種時候鎖紅波就會泡在實驗室。試驗失敗是常態，有時一個環節出問題，整個加工件就會報廢。鞏水利說：“如果都成功了，還要研究所干什么。”

　　2009年9月13日，鎖紅波清楚地記得這一天，經過3天3夜的連續工作試驗，第一個零件被打印出來了。

　　不過，為了技術問題，鎖紅波和鞏水利不知吵了多少回。最大的一次分歧發生在2010年，當時國際上生產最大的“格柵”底座直徑是250毫米，鎖紅波和自己的團隊成員決定做280毫米的，而鞏水利要求他們做500毫米的，鎖紅波堅決不同意，鞏水利急了：“沒試怎么知道不成，要干就要做最先進的！”

　　經過幾輪的爭執，最后雙方都讓步，順利做成了350毫米的，遙遙領先國際同行。“沒有鞏主任的堅持，我們不可能做下去。”鎖紅波很佩服鞏水利的技術眼光，“他經�？次墨I，對技術前沿非常敏感，看準了一個方面，就想方設法去實現”。

　　2003年，鞏水利了解到，美國波音公司的A318客機的機身實現了用激光焊接，代替過去的鉚接，這一項技術減輕了機身重量近20%，降低制造成本20%左右。

　　“激光焊技術將會促進傳統航空制造業的改造升級。”當時，40歲不到的鞏水利已經在焊接行業小有建樹，他敏銳地意識到這一信息的重要意義。之后，他迅速申請多項預研課題，并創造性地提出了雙光束激光焊接的設想。

　　在項目基礎研究階段，試驗屢遭失敗，研究團隊成員紛紛對技術的可行性提出質疑。鞏水利承受著壓力，但沒有想過放棄：“這是航空焊接的大革新，只要踏踏實實做好每次試驗，認真研究總結分析，就一定能成功。”

　　有一兩年時間，鞏水利幾乎沒有休息過，晚上睡在在試驗現場是常事，有時其他同事早上8點多來上班，他剛下班，回去休息一下，中午又出現在實驗室。他帶領同事記錄好每一次的試驗數據，圍繞試驗中出現的特殊現象觀察、研究，并定期召開團隊會議，通過平等交流、廣泛討論，產生新的思路。同時，他還要去說服領導，爭取資金支持，因為試驗件的成本很高。

　　經過上千次的試驗，預研有了重大突破，雙光束激光焊接的優越性體現出來：不變形，表面光滑，焊縫內部沒有缺陷。之后，這項技術被用于某型號飛機，實現了機身減重、連接強度提高、表面光滑飛行阻力減少的目標。

　　之后，鞏水利又帶領年輕同事攻克了多項關鍵技術，研制出了雙光束激光復合焊接裝置，建立了國內首個大功率雙光束激光焊接平臺，并首次成功應用于航空帶筋壁板關鍵結構件的焊接制造中。

　　從幾年前單一的激光焊接，鞏水利的團隊已經開發掌握利用電子束、激光束、等離子束作為焊接熱源進行熔化焊接的一系列技術。曾不愿與鞏水利做深入交流的國際同行，如今主動邀請他深入合作。

　　現在，鞏水利又在關注下一個技術前沿：利用超快激光技術完成對飛行器部件的一體化制造，不僅結構復雜的部件能夠一次加工成型，他們還用激光對這些部件的表面進行處理。

　　“這其實是一項仿生技術，經過納米級激光處理，可以讓飛行器形成像荷葉一樣的表面，不沾水，在空氣中阻力最小。”37歲的馬國佳博士是這項技術的研發負責人，他仍記得自己幾年前剛到所里的情形，鞏水利第一次見面就問他發了多少論文，這讓馬國佳很受觸動：“他關注基礎研究，我想這是我們這個團隊成功的重要因素之一。”

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