3D打印：改變航空工業的制造新技術

引言

英國《經濟學人》雜志2012年制作專題論述了當今全球范圍內工業領域正在經歷的第三次革命，認為這次革命是一種建立在互聯網和新材料、新能源相結合的工業革命，它以“制造業數字化”為核心，并將使全球技術要素和市場要素配置方式發生革命性變化。新材料、新工藝、新機器人、新的網絡協同制造服務，生產會更加經濟、高效、靈活、精簡。3D打印技術作為“第三次工業革命的重要標志”，被認為是推動新一輪工業革命的重要契機，已經引起全世界的廣泛關注。3D打印技術作為具有前沿性、先導性的新興技術，正在使傳統生產方式和生產工藝發生深刻變革。3D打印技術將以其革命性的“制造靈活性”和“大幅節省原材料”在制造業掀起一場革命，它最適合應用于多品種、小批量、結構復雜、原材料價值量高的結構制造領域，因此有望在航空制造領域獲得廣泛應用。

3D打印技術（3D Printing）是快速成型技術（Rapid Prototyping Manufacturing）的一種，也叫做增材制造（ Additive Manufacturing）。基本原理是把一個通過設計或者掃描等方式做好的3D模型按照某一坐標軸切成無限多個剖面，然后一層一層打印出來并按原來的位置堆積到一起，形成一個實體的立體模型。3D打印技術使用的方法有很多種，表1給出了美國科技政策研究所對3D打印技術按過程、主要廠商、所用材料和典型市場進行的分類。

國內外3D打印技術及產業發展情況

世界主要國家競相從戰略高度重視發展3D打印

3D打印技術的歷史由來已久。1986年，美國3D System公司推出了第一款工業化的“3D打印”設備，1990年開始銷售，短短幾年中，形成了巨大的市場。近年來，美國以企業和大學及科研機構等半政府半民間的組織為主導力量，明顯加大加快了對3D打印技術研發的組織力度。2009年，以美國相關大學為主的“增材制造路線（RAM）研討會”就未來5～10年的技術發展進行了廣泛的討論，并發表了較有影響的路線圖研討報告。根據這一報告的建議，由愛迪生焊接研究所（EWI）牽頭于2010年成立“增材制造共同體AMC（Additive Manufacturing Consortium）”，試圖將相關的制造商與供應商同大學與研究機構聯結成為一個互動良性促進發展的生態組織，共同解決3D打印技術中還存在著的大量問題。AMC目前已有30余家企業、研究所、大學、軍方和政府等機構成員，以金屬材料的增材制造技術為主，每季度活動一次。目前，AMC整合EWI及其成員的設備、技術和專業知識，初步構成了一個分布式、網絡化的增材制造“國家實驗平臺中心NTBC（National Test Bed Center）”。AMC和NTBC的使命就是提高3D打印增材制造技術的成熟度，促進相應的產業投資，在全美范圍內將這一新興的制造方式早日轉化為主流的制造方式。自2011年起，AMC每年都向其會員發布增材制造的現狀報告。此外，近3年來美國政府、軍方及企業還多次組織3D打印技術的有獎挑戰大賽，希望以此加速相關技術的發展、應用和普及。

盡管美國在3D打印的整體技術上領先全球，但在基礎研究設施、研發組織和政府支持上，歐盟明顯領先。首先，歐盟在政府研發方面的投入要大于美國（不計不公開的國防軍事投入），著名的大型合作項目包括英國的增材制造創新中心、歐盟第六框架項目大航空航天組件快速生產Rapolac（Rapid Production of Large Aerospace Components），全程專注航空航天的SMD（Shaped Metal Deposition）技術等。其次，歐洲工業界也主動組織形成3D打印產業群，開發增材制造的市場。一度形成原始創新技術源于美國，但其后的研發和應用及商業化卻是由歐盟等國家完成的局面。此外其他一些國家也都競相從國家戰略高度重視發展增材制造業，澳大利亞近期制定了金屬堆積制造路線，南非正在扶持基于激光的大型堆積制造機器的開發，日本也在著力推動堆積制造技術的推廣應用。

3D打印行業處于迅速兼并與整合過程中，專利成為競爭的重要武器

2011年3D打印產業的市場規模為17億美元。目前，快速成型技術的市場應用份額如圖1所示，其中航空航天約占8%。目前，全球有兩家3D打印機制造巨頭，分別為3D System 和Stratasys，均在美國上市，2011年營業收入分別為2.3億美元和1.6億美元。3D Systems公司自2009以來已連續收購了25家公司，并于2011年11月收購了3D打印技術的最早發明者和最初專利擁有者Z Corporation公司之后，一舉奠定了在3D打印領域的龍頭地位。Stratasys公司繼2011年5月收購Solidscape公司之后，又于2012年4月與以色列著名3D打印系統提供商Objet宣布合并。當前，國際3D打印行業正處于迅速兼并與整合過程中，行業巨頭正在加速崛起。

3D打印行業巨頭積極展開收購行動，在擴大公司規模的同時也吸收了大量的相關專利，并以此專利優勢，在專利上限制對手的發展。目前全球擁有3D打印專利前5名的公司見圖2、表2。

從2005年開始，3D Systems利用自己的專利優勢成功狙擊了納博特斯克的7項專利申請。2012年底，3D Systems又控告Formlabs公司推出的初級3D打印機涉嫌侵犯其專利技術。

我國3D打印的技術水平基本與國際同步，但在產業化方面嚴重落后

20世紀90年代初，我國開始推進增材制造設備，即3D打印機的研發，在快速成型技術方面取得了長足進展。我國的華中科技大學、清華大學、西安交通大學、北京隆源公司、中航重機激光和南京航空航天大學等單位，于上世紀90 年代初率先開發快速成型設備，以及進行相關技術的研究、開發、推廣和應用。其中，清華大學成功開發了無木模鑄造工藝 （Patternless Casting Manufacturing），即采用逐點噴灑粘結劑和催化劑的方法來實現鑄造沙粒間的粘結。華中科技大學研發出世界最大激光快速制造裝備，使得我國在快速制造領域達到世界領先水平。西安交通大學研制出了激光快速成型設備LPS、SPS 系列成型機，并成功推向國內外市場。在國家科技部領導和組織下先后成立了近10家旨在推廣應用快速成型技術的“快速原型制造技術生產力促進中心”，863/CIMS 主題專家組還將快速成形技術納入目標產品發展項目。可以說我國在典型的快速成形設備、軟件、材料等方面的研究和產業化方面獲得了重大進展，我國快速成形技術的研究工作基本與國際同步。但在快速成形技術新設備研發和應用方面我國則落后于國外。國外快速成形技術在航空領域有超過8%的應用量，而我國在這方面的應用量則非常低。據估計，3D打印設備在我國企業級裝機量在400臺左右，2010年以來年增速均為70%左右，市場規模超過1億元。

3D打印技術在航空領域的應用情況

歐美已將3D打印技術視為提升航空航天領域水平的關鍵支撐技術之一。3D打印技術在航空領域的應用主要集中在3類：1）外形驗證，整機和零部件外形評估和測試、驗證；2） 直接產品制造，例如無人機的機翼、云臺、油箱、保護罩等，美國一些大飛機中也有多個零部件采用3D打印直接制造；3） 精密熔模鑄造的原型制造，采用精密澆鑄工藝來制作部件前的原型等。

國外應用情況

波音公司已經利用3D打印技術制造了大約300種不同的飛機零部件，包括將冷空氣導入電子設備的形狀復雜導管。目前波音公司和霍尼韋爾正在研究利用3D打印技術打印出機翼等更大型的產品。

空客在A380客艙里使用3D打印的行李架，“臺風”戰斗機中也使用了3D打印的空調系統。空客公司最近提出“透明飛機概念”計劃，制定了一張“路線圖”，從打印飛機的小部件開始，一步一步發展，最終在2050年左右用3D打印機打印出整架飛機。“概念飛機”本身有許多令人眼花繚亂的復雜系統，比如仿生的彎曲機身，能讓乘客看到周圍藍天白云的透明機殼等，傳統制造手段難以使用，3D打印或許是一條捷徑。

GE航空2012年11月20日收購了一家名為Morris Technologies的3D打印企業，計劃利用后者3D打印技術打印LEAP發動機組件。GE把這次收購看作是對新制造技術的投資，認為具備處理新興材料與復雜設計的工藝制造開發能力，對GE的未來至關重要。

美國空軍對3D打印也報以厚望，近日與3D Systems簽約，投資29.5億美元用于其開發打印F-35戰機部件和其他武器系統的3D打印系統。

國內應用情況

中航重機激光技術團隊早在2000年前后，就已經開始投入“3D激光焊接快速成型技術”研發。目前，中航重機激光產品已經應用于我國多款新型飛機上，并起到關鍵作用。除了軍用飛機，中航重機激光還在開拓世界最先進四代航空發動機最核心技術之一——整體葉盤應用市場，以及大型水面水下艦艇市場。

北航同我國主要飛機設計研究所等單位“產學研”緊密合作，瞄準大型飛機、航空發動機等國家重大戰略需求，歷經17年研究在國際上首次全面突破了鈦合金、超高強度鋼等難加工大型復雜整體關鍵構件激光成形工藝、成套裝備和應用關鍵技術，并已在飛機大型構件生產中研發出五代、10余型裝備系統，已經受近十年的工程實際應用考驗，使我國成為迄今世界上唯一掌握大型整體鈦合金關鍵構件激光成形技術并成功實現裝機工程應用的國家。2013年1月18日，王華明聯合研發團隊憑“3D激光快速成型技術”獲國家技術發明一等獎。3D打印對生產方式的變革

相比較傳統制造業，3D打印在制造模式、流程、供應鏈等方面發生巨大變化。1）定制成為新標準。制造模式上，過去是生產線規模化生產，今后則可能更多的是數字化、個性化、分散化的定制生產，不再需要庫存大量零部件，也不需要大量生產。2）縮短上市時間。3D打印無需機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數據中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產品的研制周期。3）更優越的產品性能。3D打印的產品是自然無縫連接，結構之間的穩固性和連接強度要高于焊接等傳統方法。4）開放式的產品設計。3D打印產品設計者與消費者之間可以通過互動改進產品，這個互動是雙向的，消費者也可以自己設計產品。5）改變離岸經濟模式。3D打印對產品供應鏈有重大影響，選擇生產地時，勞動力成本不再那么重要，而是考慮如何接近消費者，傳統過程的供應鏈就變得短了，使得傳統的離岸經濟模式得以改變。

3D打印產業的未來發展前景

對于3D打印未來的發展前景，業界普遍看好。作為全國工業的主管部門，工信部準備組織研究制訂3D打印技術路線圖、中長期發展戰略，推動完善3D打印技術規范和標準制定，研究制定支持3D打印產業發展的專項財稅政策。據報道科技部的3D打印相關戰略規劃也正在研究制定中，近期即將公布。高德納（ Gartner ）公司2012年的新興技術炒作周期報告判斷：3D打印技術目前正在進入概念炒作的高峰階段，在5～10年的時間內將迎來發展高峰（見圖3）。

據Wohlers Associates報告分析，全球3D打印產業產值在1988～2010年間保持著26.2%的年均增速。2011年3D打印產業的市場規模為17億美元，到2016年產業總產值將達到31億美元，2020年將達到52億美元，其中零部件制造將占80%。而對于快速成型應用領域，則市場更為廣闊。2012年，全世界快速成型制造的產值估計為230億美元，2015年產值將會達到350億美元。

不過3D打印技術要進一步擴展其產業應用空間，目前仍面臨著一些瓶頸和挑戰：一是成本方面，現有3D打印機造價仍普遍較為昂貴，給其進一步普及應用帶來了困難。二是打印材料方面，目前3D打印的成型材料多采用化學聚合物，選擇的局限性較大，成型品的物理特性較差，而且安全方面也存在一定隱患。三是精度、速度和效率方面，目前3D打印成品的精度還不盡如人意，打印效率還遠不適應大規模生產的需求，而且受打印機工作原理的限制，打印精度與速度之間存在嚴重沖突。四是產業環境方面，3D打印技術的普及將使產品更容易被復制和擴散，制造業面對的盜版風險大增，現有知識產權保護機制難以適應產業未來發展的需求。

3D打印技術未來發展的主要趨勢

隨著智能制造的進一步發展成熟，新的信息技術、控制技術、材料技術等不斷被廣泛應用到制造領域，3D打印技術也將被推向更高的層面。未來，3D打印技術的發展將體現出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趨勢。

提升3D打印的速度、效率和精度，開拓并行打印、連續打印、大件打印、多材料打印的工藝方法，提高成品的表面質量、力學和物理性能，以實現直接面向產品的制造；開發更為多樣的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、納米材料、非均質材料及復合材料等，特別是金屬材料直接成型技術有可能成為今后研究與應用的又一個熱點；3D打印機的體積小型化、桌面化，成本更低廉，操作更簡便，更加適應分布化生產、設計與制造一體化的需求以及家庭日常應用的需求；軟件集成化，實現CAD/CAPP/RP的一體化，使設計軟件和生產控制軟件能夠無縫對接，實現設計者直接聯網控制的遠程在線制造。

航空制造業整合3D打印技術的建議

我國是制造業大國，3D打印技術對中國諸多企業將是顛覆性的變革。我國航空制造業必須未雨綢繆，積極為迎接此技術革命做好準備。

（1）推進“產學研用”結合，拓展應用領域，延伸產業鏈，提高產業化程度。

（2）改變產品，如研發現有產品的數字版及3D打印所需相應的硬軟件。

（3）改變制造過程和方法，將現有制造系統智能化自動化，引入3D制造系統，形成復合體系。增材制造和減材制造相輔相成，復合制造體系在今后將成為主流。

（4）改變商業模式。這一次新工業革命要求完全不同的價值獲取與盈利模式，及相關的流程設計，資源配置和組織機構的形式。

（5）提前專利布局，在發展初期就要將目光放長遠，不能滿足于現有已經被國外企業掌握的核心技術，而是要更多的走自己的專利之路，努力發展創新技術，搶占技術先機，積極進行合理的專利布局，包括國際市場專利布局，同時擺脫對國外3D打印耗材的依賴，避免陷入不必要的專利泥潭，爭取在未來的市場競爭中占據有利地位。

（5）GE收購3D打印企業，某種程度上給航空企業提供了借鑒：通過一些資本化運作手段，兼并收購一些具有核心技術的3D打印企業，以核心制造能力為重點，打造航空企業自身的價值元寶曲線，或許是在這次工業革命中實現快速趕超的有效途徑。

（作者單位系中國航空工業發展研究中心）

參考文獻

[1] Gartner Inc，Hype Cycle for Emerging Technologies 2012[R].2012.

[2] Wohlers Associates Inc.Wohlers Report 2012[R].2012.

[3] 王雪瑩. 3D 打印技術與產業的發展及前景分析[J].中國高新技術企業，2012，（26），3-5.

[4] 古麗萍.蓄勢待發的3D 打印機及其發展[J].數碼印刷，2011，（10），64-67.

[5] 劉厚才，莫健華，劉海濤.三維打印快速成形技術及其應用[J].機械科學與技術，2008，（9），1184-1186.