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华裔科学家3D打印世界首个飞机引擎

时间:2016-07-12  来源:澳洲广播电台   作者:责编:方腾   点击:

吴新华教授

飞机引擎是最复杂和性能要求最高的飞机部件之一,澳大利亚华裔科学家吴新华教授与她的研究团队在去年成功运用3D打印技术制造出世界上首个可运作的飞机引擎,其工作原理是什么,又有何重大意义呢?澳洲佳来到位于墨尔本的蒙纳士大学增材制造中心,采访了该中心的主任吴新华教授。

这个3D飞机引擎看起来很复杂,吴教授却简单明了地告诉我们这个3D打印引擎的工作原理:

“它们的工作原理是用数字来描述打印构件,而用金属粉末来层层制造。这项3D打印技术是激光选区融化,3维构件的数字模型被分成层层2维的数字图形, 一层薄薄的金属粉末涂抹在建造平台上,然后用激光来熔化金属粉末, 激光的扫描轨迹跟随构件的每层的2维数字图形。这个步骤不断重复,直到所要制造的东西成型。”

吴教授表示,制作飞机引擎部件的原材料是用航空级别的钛,镍合金,  而澳大利亚拥有丰盛的钛资源,所以这项技术在澳大利亚进行是特别有利的。

打印过程由电脑程序控制

打印过程由电脑程序控制摄影:卢嘉颖

技术难关

3D打印模型

3D打印模型摄影:卢嘉颖

出乎意料的是,吴教授介绍说3D打印飞机引擎的技术难关不在于它的组织结构有多复杂,而在于打印成型后的材料后处理上。

“第一个是材料如何达到性能要求,这是实用要求,要达到这个性能要求需要很复杂的后处理,3D打印完成后,要进行各种不同的热处理,使得打印出来的材料的组织结构和力学性能达到要求。”

“3D打印出来的材料实际上是达不到飞机性能要求的,有两个方面,一个是它有很高的残余的应力,有时候会有开裂的情况,第二是它的快速的冷却导致它的组织结构达不到最佳性能。所以后期研究要做很多材料方面的研究,改变材料的组织结构和性能,达到要求。”

3D打印的技术难关在于打印成型后的材料后处理上。

3D打印的技术难关在于打印成型后的材料后处理上。摄影:卢嘉颖

研发意义

吴新华教授表示,在3D打印技术被引入航空领域之前,飞机构件尤其是关键部件从研发、铸造、实验、修改再铸造的过程需要长达15年左右的时间,因为从设计到制造出模型要耗费大量的时间。所以3D打印对材料和性能要求极高的飞机引擎的重大意义不在于重复打印出老型号的引擎,而在于它能大大缩短航空部件研发周期。

“飞机发动机的研制从设计到最后做出产品来一般要求15年的时间,因为很多构件很难制造,通过3D打印技术,这些很困难的部件很快就能做出来,就可以去尝试,可以把新的发动机的研发到最后使用降低到3-5年。”
吴教授说这就是为什么现在世界上每一个发动机公司现在都在积极努力,想把这个技术赶快用上去的原因,就是希望能加快研发步伐,在竞争激烈的航空制造市场抢占先机。

应用前景

据吴教授透露,3D打印技术已经被积极应用于航空制造领域,“打印飞机构件实验室认证早就完了,现在进行试飞认证,估计明年到后年会有大批量生产。” 

在飞机构件的应用方面,安全性往往是人们最关注的问题。吴教授指出,一个飞机新部件投入生产并实际飞行需要经过相关国际机构的严格认证,认证所需时间由3年至10年不等。

澳大利亚在3D打印领域所处位置

这台3D打印机是世界上最大的金属3D打印机之一

蒙纳士大学增材制造中心的这台3D打印机是世界上最大的金属3D打印机之一。摄影:卢嘉颖

吴教授在航空材料以及发动机研究领域潜心研究多年,她毕业于中国中南大学和中国科技大学,后赴英国伯明翰大学攻读博士,并留校任教直至获得教授头衔。她在2011年被研究中心邀请来澳大利亚做研究。吴教授高度评价澳大利亚在3D打印技术的领先地位。

“澳大利亚的研究支持和研究人员的能力在世界上是非常领先的,包括3D打印技术,几乎每个领先的学校都有3D打印的研究。这些领先也来源于大学的支持和国家的支持。”

3D打印的前景

3D打印技术这些年迅猛发展,从打印玩具、鞋子到打印手枪、房屋甚至飞机引擎,其发展潜力可以说无可限量。据吴教授的观察,3D打印未来在尖端领域的应用有两个,一个是航空领域,另一个将是医疗领域。

“我觉得3D打印最有效的领域是航空航天和医疗。医疗的个性化的产品。过去很多医疗的植入体或器械都很原始,远远落后于其他医疗条件发展水平,所以从3D打印来讲,会对医疗产生突飞猛进的变化,但是门槛也很高,需要严格的认证,需要上千个病人的病例的长期数据的积累,一旦跨过这个门槛,它的发展将是非常快速和无限的。”

在科技日新月异的今天,吴教授的科研团队也十分重视新生力量的培养,他们的研究队伍需要新的想法和新的理念。我们采访当天就刚好遇到几位蒙纳士大学的学生加入研究中心实习。

正在蒙纳士大学攻读机械工程学位的艾琳(Aileen Ng)对3D打印表示及其浓厚的兴趣,她说这是一项可以发挥创意、非常人性化的技术:“我认为3D技术可以使不可能变成可能,而且我对于创造事物感到非常刺激。”此外,她认为自己可以为研究带来一些新的概念,“我认为自己可以从制造方法着手,例如想想如何使打印的过程更有效率。”

Aileen对3D打印技术有浓厚兴趣

Aileen对3D打印技术有浓厚兴趣摄影:卢嘉颖


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