基于3D打印技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用分析

常俊超　姜楠

摘 要：3D打印技術(shù)是一種革命的、先進的加工制造技術(shù)，已經(jīng)正在快速改變傳統(tǒng)的生活方式和生產(chǎn)加工方式，歐美等發(fā)達國家非常重視該技術(shù)，并且積極推廣。從3D計算機輔助設(shè)計（3D CAD）開始，人們希望能夠?qū)⒃O(shè)計結(jié)果直接轉(zhuǎn)化為實物。3D打印技術(shù)將以其革命性的“制造靈活性”和“大幅節(jié)省原材料”在加工制造領(lǐng)域掀起一場革命。它適合于小批量、多品種、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、原材料價值高的機械加工制造，因此在航空制造領(lǐng)域，它將會得到更加廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：3D打印 快速成形技術(shù) 航空制造業(yè)

中圖分類號：V261 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）05（b）-0013-01

1 3D打印技術(shù)的優(yōu)勢

（1）適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速制造，與傳統(tǒng)機加工藝和模具成形等制造工藝相比，增材制造技術(shù)是將三維實體加工變?yōu)槿舾啥S平面加工，大大降低了制造的復(fù)雜度。其中，航空類產(chǎn)品零件具有顯著特征：產(chǎn)品類型復(fù)雜，具有多樣化、小批量等特點；結(jié)構(gòu)趨于整體化和復(fù)雜化，工藝難度大，加工過程復(fù)雜；大型化、薄壁化特點突出，變形控制極為關(guān)鍵；材料去除量大，切削加工效率問題突出；大型結(jié)構(gòu)件毛料價值高，質(zhì)量風(fēng)險大。3D打印技術(shù)將以其革命性的“制造靈活性”和“大幅節(jié)省原材料”在加工制造領(lǐng)域掀起一場革命。它適合于小批量、多品種、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、原材料價值高的機械加工制造，因此在航空制造領(lǐng)域，它將會得到更加廣泛的應(yīng)用。

（2）與傳統(tǒng)大規(guī)模、批量生產(chǎn)需要做大量的工藝技術(shù)準(zhǔn)備以及大量的工裝、復(fù)雜而昂貴的設(shè)備和刀具等制造資源相比，增材制造在靈活性和快速生產(chǎn)方面極具優(yōu)勢。傳統(tǒng)減材制造中，需要將零件以外的毛料全部去除，而且對設(shè)備刀具要求較高，例如鈦合金（Ti-6Al-4V）零件在加工時對設(shè)備及刀具的要求極高，通常在粗加工時為避免零件過熱出現(xiàn)點蝕現(xiàn)象，機床進給速度不應(yīng)超過400mm/min，機床轉(zhuǎn)速不應(yīng)超過1000r/min。

2 3D打印在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1 3D打印在國內(nèi)航空應(yīng)用情況

目前，我國已經(jīng)具備了使用激光成形超過12m2的復(fù)雜鈦合金構(gòu)件的技術(shù)和能力，并投入多個國產(chǎn)航空科研項目的原型和產(chǎn)品制造中。在解決了材料變形和缺陷控制的難題后，節(jié)約了90%的材料和成本，中國生產(chǎn)的鈦合金結(jié)構(gòu)部件迅速成為中國航空研制的一項獨特優(yōu)勢。由于鈦合金重量輕，強度高，鈦合金構(gòu)件在航空領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。目前，先進戰(zhàn)機上的鈦合金構(gòu)件所占比例已經(jīng)超過20%。傳統(tǒng)的鈦合金零件制造主要依靠鑄造和鍛造。其中鑄造零件易于大尺寸制造，但重量較大且無法加工成精細的形狀。鍛造切削雖然精度較好，但是零件制造浪費嚴重，原料95%都會被作為廢料切掉，而且鍛造鈦合金的尺寸受到嚴格限制。而且這兩種技術(shù)都無法制造復(fù)雜的鈦合金構(gòu)件，而焊接則會遇到可怕的鈦合金腐蝕現(xiàn)象。激光鈦合金成形技術(shù)則完全解決了這一系列難題，由于采用疊加技術(shù)，它節(jié)約了90%十分昂貴的原材料，加之不需要制造專用的模具，原本相當(dāng)于材料成本1～2倍的加工費用現(xiàn)在只需要原來的10%。加工1 t重量的鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，粗略估計，傳統(tǒng)工藝的成本大約是2500萬元，而激光3D快速成型技術(shù)的成本僅130萬元左右，其成本僅是傳統(tǒng)工藝5%。更重要的是，許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鈦合金構(gòu)件可通過3D打印一體成型，節(jié)省工時，還大大提高材料強度。

2.2 3D打印在國外航空應(yīng)用情況

近日，空客公司采用增材制造技術(shù)加工的A350XWB寬體飛機艙體支架獲得“2014年德國工業(yè)創(chuàng)新大獎”。該零部件采用激光增材工藝加工。評委會認為這一跨工業(yè)領(lǐng)域項目正在變革飛機結(jié)構(gòu)制造方式，可以使民用飛機中采用更多的輕量化結(jié)構(gòu)。之前，這種零部件采用鋁合金通過銑削等機械加工方法制造，現(xiàn)在可以使用鈦合金采用增材制造技術(shù)加工，重量可減輕30%以上。

空客公司認為在飛機制造中采用增材制造技術(shù)具有以下幾個方面的好處。

（1）采用增材制造，可以使飛機重量減輕，這樣或是降低飛機的燃油消耗，或是增加飛機載重量。

（2）采用增材制造，在早期階段就可能生產(chǎn)出與批量化生產(chǎn)零件結(jié)構(gòu)類似的功能樣件，意味著可以在設(shè)計階段早期就識別出設(shè)計錯誤，以及對工藝過程進行優(yōu)化。之前預(yù)計開發(fā)這種零部件需要約6個月，實際只花費了1個月。

（3）采用增材制造可實現(xiàn)綠色制造，用銑削等機加方法加工飛機零部件制造會導(dǎo)致95%的原材料浪費，而用激光熔融工藝，浪費大約只有5%左右。

（4）采用增材制造，對中小批量零件的制造成本具有積極影響。為實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟，相比大批量制造，飛機制造中的批量因素更加至關(guān)重要。相比傳統(tǒng)制造工藝，增材制造技術(shù)不僅消除了工具成本，還具有更高的設(shè)計自由度。

（5）采用增材制造技術(shù)還能夠開發(fā)諸多涉及安全的部件，比目前使用的零部件更經(jīng)久耐用。因為采用增材制造技術(shù)的零部件配以合適的熱處理技術(shù)后，零部件具有更高剛度、更低韌性。

（6）在未來，采用增材制造技術(shù)使得在不同的地點按需制造備件也成為可能。一旦遇到零部件失效，備件可以在當(dāng)?shù)刂苯由a(chǎn)。這種分散化生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)可以減少運輸距離和交付時間，另外，飛機中與維護相關(guān)的停機時間和檢測時間也可縮短。

（7）增材制造技術(shù)可以生產(chǎn)出及其精細的骨骼、多孔類零部件，使得未來飛機制造中，將增材制造與仿生學(xué)結(jié)合，實現(xiàn)飛機零部件的仿真學(xué)設(shè)計制造，進一步提高飛機安全性。

參考文獻

[1] 楊恩泉.3D打印技術(shù)對航空制造業(yè)發(fā)展的影響[J].航空科學(xué)技術(shù)，2013（1）：13-17.

[2] 楊永強，劉洋，劉長輝.金屬零件3D打印技術(shù)現(xiàn)狀及研究進展[J].機電工程技術(shù)，2013（4）：1-7.

[3] 郭劍峰.3D打印熱潮—— 3D打印被夸大的技術(shù)與使命[J].科技潮，2013（6）：14-27.

[4] DENUCCI#PP.New process creates phototyping-fast[J].Foundry Management & Technology，1993：22-24.

[5] 閆春澤.粉末激光燒結(jié)增材制造技術(shù)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2013：5-10.