3D打印技术在航空航天领域应用不断扩大

3D打印技术(又称增材制造技术)是信息网络技术、先进材料技术与数字制造技术的密切结合，是先进制造业的重要组成部分，其与信息网络技术的深度融合，给各行各业发展带来变革性影响。当前，3D打印技术持续发展，市场规模快速增长，在航空航天领域应用不断扩大。


  3D打印技术持续发展，市场规模快速增长

  3D打印技术在技术方法、制造平台、行业标准等方面取得重要进展，在市场规模方面保持快速增长态势。

  3D打印技术方法研究取得新进展

  连续液面生长(CLIP)技术

  美国是3D打印技术的发源地，拥有最前沿的3D打印技术，在3D打印方法创新方面取得新的重大进展。2015年3月，美国Carbon 3D公司开发出一种革命性3D打印技术——连续液面生长(CLIP)技术，打印速度比传统的3D打印技术快25~100倍，并且可制造出之前几乎不可实现的超复杂几何结构形状，极大推进了3D打印技术的应用。该技术通过在紫外线对光聚合的触发作用以及氧气对光聚合的抑制作用中找到平衡，可连续作业，实现真正意义的3D打印。采用该技术打印成形的零件特征尺寸最小可小于20微米，比一张纸厚度的1/4还要薄。2016年1月，美国西北大学研究出新的金属3D打印方法——两步法。该方法采用一种由金属粉末、溶剂和粘结剂组成的液态油墨材料，通过注射或挤压工艺打印出坯体，之后在熔炉里烧结。该方法能够打印金属混合物、合金、金属氧化物等多种金属，并使3D打印更快、更便宜、更均匀。

  3D打印制造平台研究步伐加快

  3D打印技术控制系统与平台建设是支持3D打印技术发展的重要基础。美国3D系统公司是全球3D打印技术领导者，在美国空军研究实验室支持下，该公司将与霍尼韦尔公司、诺斯罗普·格鲁曼公司、洛克希德·马丁公司等大型军工企业共同研发高精度闭环先进制造与监控平台，用于制造航空航天零部件，满足飞行器在飞行过程中精度高、功能强、可重复使用的特定需求。

  2015年11月，美国Arevo实验室推出了机器人增材制造平台(RAM)，用于超强热塑性复合材料零部件的快速、高效3D打印。该平台将ABB机器人公司的商用6轴机器人系统与熔融沉积成形技术、末端执行器硬件以及一套综合的软件套件集成在一起，实现对高性能碳纤维增强热塑性复合材料零部件的3D打印。2016年2月，美国西亚基公司公布了基于电子束增材制造(EBAM)工艺的金属3D打印系统专用的IRISS闭环控制系统。IRISS是一种沉积层内部实时成像和传感系统，具有实时监控和处理数据的功能，为制造商在较大尺寸的金属3D打印零部件的质量和性能控制方面提供支持。

  3D打印行业标准化进一步完善

  技术标准是3D打印行业发展必不可少的关键环节。随着3D打印技术的兴起，标准管理部门和研究机构开始谋划行业标准并制定相关标准。2015年7月，欧盟的“增材制造标准化支持行动(SASAM)”计划发布了一份增材制造标准化路线图。作为欧洲标准的一个模板，该路线图阐述了标准化对于产业应用及现有增材制造技术标准发展的重要性，明确了标准化与优先关注标准之间的差距。但由于标准研究机构之间缺乏统筹，导致3D打印相关标准在一致性方面出现问题。

  为此，“美国制造”创新研究所与美国国家标准学会于2016年3月联合成立一个跨部门协调机构——“美国制造与美国国家标准学会增材制造标准化协作机构”(AMSC)，致力于协调并加速开发全行业的、符合参与机构需求的增材制造标准与规范，促进增材制造企业健康发展。AMSC参与者主要来自私企、设备制造商、材料供应商、***、学术界、标准开发机构和认证机构等。

  3D打印市场保持快速增长态势

  2016年4月，增材制造行业的权威咨询研究机构——美国沃勒斯协会公司发布《沃勒斯报告2016》。该报告指出，2015年全球增材制造和3D打印市场销售额达到51.65亿美元，比2014年增长了10亿美元，增长率达到25.9%。同时，2015年3D打印行业的年复合增长率低于过去3年的33.8%，也比过去27年的平均年复合增长率26.2%稍低。

  但是，尽管2015年3D打印行业遭遇了一系列挑战，但在多个领域出现了持续性增长，尤其是金属3D打印和桌面3D打印。2015年，全球共有62家工业级3D打印系统(售价超过5000美元)厂商，2014年这一数字为49家，2011年仅为31家。2015年，售价低于5000美元的桌面型3D打印机销量超过27.8万台，比2014年的16万台高出74%。而金属3D打印机的增长率约45%，增速迅猛。

  3D打印在航空航天领域应用持续深化

  随着3D打印技术快速发展，***、军方等机构纷纷出台政策支持3D打印技术发展与应用，使3D打印技术在航空航天领域的应用更广泛深入。

  3D打印得到***和军方大力支持，政策环境进一步优化

  美国国家增材制造创新机构(NAMII，现名“美国制造”)发布新版增材制造技术路线图。2015年9月该机构发布了新版美国“增材制造技术路线图”，将设计、材料、工艺、价值链和增材制造基因组等5个技术领域设定为关键技术领域，每个领域下设多个子领域，按照技术成熟度分别对每个领域2013年—2020年发展重点进行了规划。上述这些领域是该机构未来一段时期内提升增材制造技术与制造成熟度的发展重点，也是美国***发展增材制造产业的重点。美国NAMII自成立以来为增材制造技术开发与应用提供了三轮资金资助，总额超过2000万美元。

  美国国防高级研究计划局(DARPA)实施“开放式制造项目”，推动3D打印成为国防制造领域的主流技术。2015年5月DARPA宣布实施“开放式制造项目”，旨在开发快速鉴定技术，从而全面获取、分析并监控制造过程，以预测最终产品的性能，确保产品所需的置信度，可靠保证飞机机翼或军事系统的复杂部件批生产。该项目主要研究方向之一是开展“快速低成本增材料制造”研究，重点研究金属增材制造过程。

  美陆军发布最新版《陆军制造技术规划报告》。2015年11月，美国陆军发布2016财年《陆军制造技术规划报告》。报告简要介绍了陆军制造技术规划的任务、组织机构、投资策略等，并从项目目标、实施方案、成果、效益、受影响的武器系统等方面，对利用增材制造实现高价值航空资产修复/回收/再利用进行了研究;对面向关键武器系统零部件直接制造、再制造及延寿的增材制造技术等6大领域的31个正在实施的重点项目进行了分析。

  3D打印应用范围进一步扩展，由零部件扩大到整机

  3D打印技术已成为提高航天器设计和制造能力的一项关键技术，其在航空航天领域的应用范围不断扩展。国外企业和研究机构利用3D打印不仅打印出了飞机、导弹、卫星、载人飞船的零部件，还打印出了发动机、无人机、微卫星整机，在成本、周期、重量等方面取得了显著效益，充分显示了3D打印技术在该领域的应用前景。

  在零部件级方面，空客公司采用3D打印技术生产了超过1000个飞机零部件，其中用于A350XWB宽体飞机的舱体支架获得“2014年德国工业创新大奖”;美国空军第552空中控制联队利用Fortus 400mc 3D打印机成功打印出飞机座椅扶手的塑料端盖，并首次获得批准将其应用于E-3预警机，通过3D打印实现该部件的单位成本由8美元降低至2.5美元;美国Aerojet Rocketdyne公司利用3D打印制造了首批12个“猎户座”载人飞船喷管扩张段，制造时间比传统制造工艺技术缩短了约40%;俄罗斯托木斯克理工大学(TPU)设计并制造的首枚外壳由3D打印的CubeSat纳米卫星Tomsk-TPU-120于2016年3月底搭载进步MS-02太空货运飞船被送往国际空间站;美国海军在2016年3月进行的“三叉戟”II D5潜射弹道导弹第160次试射中成功测试了首个使用3D打印的导弹部件——可保护导弹电缆接头的连接器后盖，使该零件的设计和制造时间缩短了一半。

  在整机级方面，美国太空探索技术公司火箭实验室发布了一台用于低成本太空旅行的3D打印世界首款电动火箭发动机——Rutherford电动发射系统，采用该系统可将火箭发射成本由传统燃料火箭发射的1亿美元降至490万美元;英国南安普顿大学利用增强型ABS塑料打印出了一款成本仅为数千美元的小型无人机(Sulsa)，俄罗斯Rostec公司也推出3D打印的多用途两栖无人机，该无人机重3.8千克，翼展为2.4米，飞行速度可达100千米/小时，续航时间长达1.5小时，从概念到原型仅花费两个半月，生产时间约为31小时，费用不到20万卢布(约合3700美元)。

  3D打印应用深度进一步加大，趋向“前端部署”

  当前，随着3D打印技术应用深度不断加大，围绕装备维修与保障，在维修基地、空间站、战场前沿等供应链“前端”部署3D打印的趋势愈加明显，这无疑将改变现有的装备维修模式与保障体系。

  一是在维修基地或装备保障体系中增加3D打印技术部署，一方面在国防预算日益吃紧的情况下推动成本节省的同时，还可以减少对由于国家之间政治关系紧张时无法被本国使用的国外零件的依赖，即替代进口。例如，韩国空军利用3D打印技术制造其F-15K战斗机喷气发动机的高压涡轮机盖板，将成本从4000万韩元(3.4万美元)减少到300万韩元，采购时间比原来的60天减少一半以上，还通过3D打印将欧洲制造的运输机扬声器罩的制造周期由7个月减少至4~5小时，成本从621美元降低至35美元。另一方面，还可打印老旧或已停产零部件，提高军事基地维护飞机的能力。例如，位于美国俄克拉荷马州tinker空军基地的空军后勤中心(OC-ALC)正在利用3D打印技术优化工作流程，通过3D打印飞机发动机零部件和现代电子元器件，维护B-52***的战斗力。

  二是在空间站应用3D打印技术，实现在太空3D打印制造，需将原材料运送至国际空间站按需打印。美国太空制造公司已开发出可在真空环境中使用的3D打印机，并于2014年8月将其运送至国际空间站，宇航员不仅打印了3D测试件，还打印了功能结构件。虽然太空3D打印技术在国际空间站外实际使用仍面临诸多挑战，包括如何保证被打印的物体在太空中阳光直射下具有较长使用寿命，以及如何控制打印过程中温度变化等问题，但仍引起了美国NASA的重视。

  三是将3D打印技术部署在战场前沿，实现直接在战场上打印零部件，删减由再制造基地制造零部件，然后运送到仓库，再安装到某个组件里或运送到战场中使用的中间过程环节，达到在最需要零部件的地方直接准确地满足所需的目的。目前，美国国防后勤局正委托后勤管理研究所开展3D打印技术应用咨询，研究利用3D打印技术缩短军队供应链，减少库存，降低后勤保障成本。美国海军已启动“舰上打印”项目，开发零件打印、资格认证以及零件交付等一系列程序，评估可用于军事用途的各种3D打印技术与材料，以达到在海上舰艇中制造飞机零部件的目标。近年来，美军已使用3D打印技术打印出了油箱盖、医疗用品等较为简单的产品。

  结束语

  与传统制造方式相比，3D打印技术不仅可大幅度降低生产成本，还突破了传统制造工艺对于复杂形状的限制，它带来的是生产加工观念的革命性转变，对推动全球航空航天领域的发展起到了重要作用。同时，需要指出的是，虽然3D打印技术具备快捷、方便、低成本等显著优势，但仍面临着应用挑战，如质量保证、知识产权、人员培训、信息安全等问题。未来，3D打印技术在航空航天领域的应用将是“渐进式”而非“革命性”。

  3D打印在航空航天领域应用优势

  作为第三次工业革命制造领域的典型代表技术，3D打印的发展时刻受到各界的广泛关注。而金属高性能增材制造技术(金属3D打印技术)被行内专家视为3D打印领域高难度、高标准的发展分支，在工业制造中有着举足轻重的地位。现如今，世界各国工业制造企业都在大力研发金属增材制造技术，尤其是航空航天制造企业，更是不惜耗费大量财力、物力加大研发力度，以确保自己的技术领先优势。

  在美国制造业回归战略以及德国工业4.0的背景衍衬下，国际环境也为3D打印提供了其成长不可或缺的营养。不管是美国新成立的国家增材制造中心，还是英国技术战略委员会，都将航空航天作为增材制造技术的首要应用领域。而在2012年10月，原中国科学院院长，全国人大委员会副委员长路甬祥曾明确表示，中国的3D技术也将首先应用于航空航天领域。

  作为工业界皇冠上的璀璨明珠，航空航天制造领域集成了一个国家所有的高精尖技术，是国家战略计划得以实施，政治形势得以展现的后援保障领域。而金属3D技术作为一项全新的制造技术，其在航空航天领域的应用优势突出，服务效益明显。主要体现在一下几个方面：

  (1)缩短新型航空航天装备的研发周期。

  航空航天技术是国防实力的象征，也是国家政治的体现形式，世界各国之间竞争异常激烈。因此，各国都想试图以更快的速度研发出更新的武器装备，使自己在国防领域处于不败之地。而金属3D打印技术让高性能金属零部件，尤其是高性能大结构件的制造流程大为缩短。无需研发零件制造过程中使用的模具，这将极大的缩短产品研发制造周期。

  国防大学军事后勤与军事科技装备教研部教授李大光表示上世纪八九十年代，要研发新一代战斗机至少要花10-20年的时间，由于 3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，所以如果借助3D打印技术及其他信息技术，最少只需3年时间就能研制出一款新战斗机。加之该技术的高柔性，高性能灵活制造特点，以及对复杂零件的自由快速成型，金属3D打印将在航空航天领域大放异彩，为国防装备的制造提供强有力的技术支撑。

  国产大飞机C919上的中央翼缘条零件是金属3D打印技术的在航空领域的应用典型。此结构件长3米多，是国际上金属3D打印出最长的航空结构件。如果采用传统制造方法，此零件需要超大吨位的压力机锻造而成，不但费时费力，而且浪费原材料，目前国内还没有能够生产这种大型结构件的设备。

  所以，要想保证飞机研发进程及安全性，我们必须向国外订购此零件，且从订货到装机使用周期长达2年多时间，这严重阻碍了飞机的研发进度。采用金属3D打印技术打印出的中央翼缘条，其研制时间紧一个月左右，其结构强度达到甚至超过了锻件使用标准，完全符合航空使用标准。金属3D打印技术的使用在很大程度上缩短我国大飞机的研制，让研制工作得以顺利进行。

  而这仅是金属3D打印技术应用在航空航天领域的一个缩影而已。

  (2)提高材料的利用率，节约昂贵的战略材料，降低制造成本。

  航空航天制造领域大多都是在使用价格昂贵的战略材料，比如像钛合金、镍基高温合金等难加工的金属材料。传统制造方法对材料的使用率很低，一般不会大于10%，甚至仅为2%-5%。材料的极大浪费也就意味着机械加工的程序复杂，生产时间周期长。如果是那些难加工的技术零件，加工周期会大幅度增加，制造周期明显延长，从而造成制造成本的增加。

  金属3D打印技术作为一种近净成型技术，只需进行少量的后续处理即可投入使用，材料的使用率达到了60%，有时甚至是达到了90%以上。这不仅降低了制造成本，节约了原材料，更是符合国家提出的可持续发展战略。

  2014年在中国科学院一个专题讨论会上，北航王华明教授曾表示，中国现在仅需55天就可以打印出C919飞机驾驶舱玻璃窗框架。王华明还说，欧洲一家飞机制造公司表示，他们生产同样的东西至少要2年，光做模具就要花200万美元，而中国采用3D打印技术不仅缩短了生产周期，提高了效率，而且节省了原材料，极大地降低了生产成本。

  (3)优化零件结构，减轻重量，减少应力集中，增加使用寿命。

  对于航空航天武器装备而言，减重是其永恒不变的主题。不仅可以增加飞行装备在飞行过程中的灵活度，而且增加载重量，节省燃油，降低飞行成本。但是传统的制造方法已经将零件减重发挥到了极致，再想进一步发挥余力，已经不太现实。

  但是3D技术的应用可以优化复杂零部件的结构，在保证性能的前提下，将复杂结构经变换重新设计成简单结构，从而起到减轻重量的效果。而且通过优化零件结构，能使零件的应力呈现出最合理化的分布，减少疲劳裂纹产生的危险，从而增加使用寿命。通过合理复杂的内流道结构实现温度的控制，使设计与材料的使用达到最优化，或者通过材料的复合实现零件不同部位的任意自由成型，以满足使用标准。

  ***的起落架是承受高载荷，高冲击的关键部位，这就需要零件具有高强度，高的抗冲击能力。美国F16***上使用3D技术制造的起落架，不仅满足使用标准，而且平均寿命是原来的2.5倍。

  (4)零件的修复成形。

  金属3D打印技术除用于生产制造之外，其在金属高性能零件修复方面的应用价值绝不低于其制造本身。就目前情况而言，金属3D打印技术在修复成形方面所表现出的潜力甚至是高于其制造本身。

  以高性能整体涡轮叶盘零件为例，当盘上的某一叶片受损，则整个涡轮叶盘将报废，直接经济损失价值在百万之上。较之前，这种损失可能不可挽回，令人心痛，但是基于3D打印逐层制造的特点，我们只需将受损的叶片看作是一种特殊的基材，在受损部位进行激光立体成形，就可以回复零件形状，且性能满足使用要求，甚至是高于基材的使用性能。由于3D打印过程中的可控性，其修复带来的负面影响很有限。

  事实上，3D打印制造的零部件更容易得到修复，匹配性更佳。相较于其他制造技术，在3D修复过程中，由于制造工艺和修复参数的差距，很难使修复区和基材在组织、成分以及性能上保持一致性。但是在修复3D成形的零件时就不会存在这种问题了。修复过程可以看作是增材制造过程的延续，修复区与基材可以达到最优的匹配。这就实现了零件制造过程的良性循环，低成本制造+低成本修复=高经济效益。

  (5)与传统制造技术相配合，互通互补。

  传统制造技术适用于大批量成形产品的生产，而3D打印技术则更适合个性化或者精细化结构产品的制造。将3D打印技术和传统制造技术相结合，各取所长，充分发挥各自的优势，使制造技术发挥更大的威力。

  比如，对于表面要求高质量性能，但中心要求性能一般的零件而言，可以使用传统制造技术生产出中心形状的零件，然后使用激光立体成型技术在这些中心零件上直接成型表面零件，这样就生出了表面性能高，中心要求一般的零件，节省了工艺的复杂程度，减少了生产流程。这种互补的生产组合，在零部件的生产制造中具有重要的实际应用价值。

  再者，对于外部结构简单，但是内部结构复杂的零部件，其采用传统制造技术制造内部复杂结构时，过程繁琐，后续加工工序复杂这就造成了生产成本，延长了生产周期。采用外部使用传统制造技术而内部采用3D打印技术直接近净成形，这样只需少量后续工序就可完成产品的制造，这缩短了生产周期，降低了成本，发挥出传统技术和新技术的完美匹配制造的结合，实现了互通互补。

  航空航天作为3D打印技术的首要应用领域，其技术优势明显，但是这绝不是意味着金属3D打印是无所不能的，在实际生产中，其技术应用还有很多亟待决绝的问题。比如目前3D打印还无法适应大规模生产，满足不了高精度需求，无法实现高效率制造等。而且，制约3D打印发展的一个关键因素就是其设备成本的居高不下，大多数民用领域还无法承担起如此高昂的设备制造成本。但是随着材料技术，计算机技术以及激光技术的不断发展，制造成本将会不断降低，满足制造业对生产成本的承受能力，届时，3D打印将会在制造领域绽放属于它的光芒。