3D打印技術在航空航天工業(yè)的應用

王建偉

（軍事交通學院（天津） 301800）

3D打印技術在航空航天工業(yè)的應用

王建偉

（軍事交通學院（天津） 301800）

本文結合3D打印技術的發(fā)展，探討了該技術在航空航天工業(yè)中的應用，并對該應用進行了一定的歸類，希望這樣的探討為我國更好地開展3D打印技術在各個領域中的應用提供借鑒。

3D打印技術；航空航天；應用

1 概述

航空航天領域所使用的零部件，相關制造工藝具有其特殊性。具體來說，既要求零部件質(zhì)量輕，強度大，同時具有特殊的電性能和熱性能，又要求零部件的開發(fā)、制造周期盡可能縮短。這種要求使得傳統(tǒng)制造工藝在航空航天領域的發(fā)展受到很大限制。然而，3D打印技術的出現(xiàn)，很好地滿足了這領域內(nèi)很多零部件從設計到生產(chǎn)制造的要求，重要集中在以下幾個方面：

1.1 異型復雜結構件的制造需要

航空航天領域的金屬材料加工通常需要兼顧高精度、高性能、高柔性與快速反應等特性。所以需要成型結構復雜的薄壁異型金屬零件。對于這類零件的生產(chǎn)，傳統(tǒng)制造工藝主要依靠鑄造和鍛造，而對大型復雜結構件則必須采用分段生產(chǎn)并后期組裝的方法。其中，鑄造工藝一般用于制造質(zhì)量較大，且加工精度較粗糙的零件；而鍛造切削工藝雖交工精度較高，但受到加工設備的尺寸限制，一般鍛造件的尺寸不宜過大。由此可見，該兩種傳統(tǒng)工藝都無法滿足復雜金屬機構件的制造要求。如果勉強使用，再采取后期組裝的方法，則很難控制該金屬組裝件的整體精度，同時將無法避免零部件質(zhì)量的增加。由此可見，對于該結構類型金屬零部件的制造而言，傳統(tǒng)制造工藝無疑成為了制約航空航天技術發(fā)展的瓶頸，然而3D打印技術卻可以解決這類難題。以戰(zhàn)斗機的機翼部件為例，美國的AeroMet公司于2000年就設計并制造了基于激光快速成型技術的鈦合金機翼結構件，該機翼結構件通過了地面性能考核試驗，它的靜強度及疲勞強度均達到了飛機設計要求。該公司于2001年使用同樣的制造技術，為波音公司制造了F/A-18E/F艦載聯(lián)合殲擊/攻擊機的發(fā)動機艙推力拉梁、機翼的折疊接頭和翼梁等鈦合金次承力結構件。該機構件在F/A-18E/F系列戰(zhàn)機上的裝機應用和實際飛行考核均合格。同時發(fā)現(xiàn)，該零件滿足疲勞壽命4倍的要求，靜力加載到設計要求的225%時也未出現(xiàn)破壞。

1.2 新材料新結構的研發(fā)需要

3D打印技術所帶來的全新設計理念實現(xiàn)了全新的制造方式，可以在航空航天工業(yè)中很大程度地替代傳統(tǒng)的制造模式。比如在傳統(tǒng)制造方法所對應的傳統(tǒng)結構中，需要多次使用焊接、法蘭連接或鉚接的零部件，采用3D技術后，可以設計制造出一次整體成型零件，而且可以實現(xiàn)不同材料的一體化成型。對于目前由于制造方式的限制無法成型的特殊復雜結構件，采用3D打印技術往往能很容易地制造。由3D打印技術所帶來的對新材料新機構件的設計和制造生產(chǎn)對于傳統(tǒng)的制造模式是具有顛覆性影響的。以火箭發(fā)動機的排氣孔蓋為例，美國普惠·洛克達因公司于2013年采用激光選區(qū)燒結技術（Selective Laser Sintering，SLS）制造了用于J-2X火箭的發(fā)動機排氣孔蓋。使用該工藝制造的排氣孔蓋，其成本幣傳統(tǒng)方法降低了65%，制造相關噴嘴用時不到4個月，成本降低70%，與此相比，傳統(tǒng)工藝制造噴嘴則需要1年多。使用該排氣孔蓋的J-2X火箭發(fā)動機在惡劣環(huán)境下進行了試驗，并取得成功。如圖1所示的是該火箭發(fā)動機的排氣孔蓋。考慮到火箭發(fā)動機工作過程中的劇烈震顫，使用SLS技術制造的零件在結構上與使用傳統(tǒng)焊接工藝所得的零件相比更加堅固。

3D打印技術獨特的設計理念給研究人員提供了更加廣闊的設計制造空間，這為更多的新型產(chǎn)品的實現(xiàn)提供了可能。這類具有結構和功能一體化的零部件設計及制造方式將是航空航天領域未來的發(fā)展方向之一。所設計制造的零部件可以盡可能縮短研制周期、降低成本，同時由于零部件的連接工藝減少，整體的強度和剛度會大大提高，從而延長飛行器的使用壽命。值得一提的是，新型的3D打印技術使得金屬、陶瓷、樹脂等多材料一次整體成型工藝成為可能，這極大地豐富了航空航天工業(yè)產(chǎn)品的綜合性能。

圖示2 J-2X火箭發(fā)動機的排氣孔蓋

1.3 在軌航天器零部件的替換需要

把原材料送入“國際空間站”，并通過“國際空間站”上的太空平臺進行3D打印，可以根據(jù)需要直接在太空中制造出需要替換的老化或損壞的航天器零部件。這樣可以有效解決“國際空間站”所需物資的運輸問題，有效避免火箭發(fā)射造成的時間耽擱和成本浪費等問題。2014年12月，美國商業(yè)公司研制的全球首臺微重力3D打印機在“國際空間站”依照美國航空航天局從地面發(fā)送的設計文件打印出套筒扳手。由此，3D打印機未來有望制造“國際空間站”30%以上的備用零部件，用于替換老化或損壞的航天器零部件。同時，在太空中使用3D打印技術，還有助于將太空中的材料回收再利用，這樣能更大程度地緩解目前的太空物流問題，并減少太空垃圾。

2 結束語

3D打印技術在航空航天領域正在得到廣泛的應用。該項技術對航空航天工業(yè)中的某些零部件的制造能起到降低成本、縮短周期的作用。同時它有助于設計研發(fā)具有新功能、新結構的零部件，同時保證并提高結構可靠性。它的應用對航空航天工業(yè)相關的產(chǎn)業(yè)發(fā)展是有很大推動作用的。

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