3D打印技術促進先進航空航天制造業發展

唐雁宇

摘要3D打印技術被譽為“第三次工業革命”的技術核心。本文針對3D打印技術在航空航天制造領域所發展出的不同工藝特點進行了對比分析，對3D打印技術在國內外航空航天制造領域的應用進行了介紹。關鍵詞3D打印；航空航天；制造技術

3D打印技術自問世之初，便廣受世界各生產制造技術領域追捧，經過30多年的發展，如今己成為推動世界先進制造業發展的源動力之一，被譽為“第三次工業革命”的核心技術。美國材料與試驗協會（AmericanSociety for Testing and Materials，ASTM）在廣泛、深入研究的基礎上，對3D打印技術進行了規范化的定義，指出該技術也即是增材制造技術（AdditiveManufacturing，AM）。

航空航天制造業是先進制造技術應用和發展的代表，3D打印技術在航空航天制造技術中表現出了蓬勃的生命力，在國內外的航空航天制造中得到了快速發展。

1航空航天制造中的3D打印技術工藝特征

隨著3D打印技術的興起和發展，各國紛紛投入大量的人力、物力發展3D打印技術，目前，航空航天制造領域的研究主要包括2個方面：其一是零件模型及驗證部件的快速制造，主要針對非金屬材料類，采用的工藝方法包括熔融沉積法、立體光刻法、分層實體制造和3D印刷法等；其二是針對金屬材料的零部件、大型整體結構的制造，采用的工藝方法包括直接金屬燒結技術、選擇性激光燒結、激光快速成型以及電子束熔化等。

不同成型工藝具有不同的特征，如：立體光刻法成型精度高、成型實物強度和硬度高，可以彩色成型，但成型后表面粗糙；熔融沉積法成型速度快，成本較低，然而精度不高；選擇性激光燒結成型工藝簡單，柔性度高，材料適用面廣（金屬、陶瓷以及塑料），精度高；分層實體制造法的模型支撐性好、成本低、效率高。然而，不管哪種工藝，基于“增加、堆積”方式發展起來的3D打印技術一般均具有快速性、低成本、材料適用范圍寬、高柔度性、高集成化等幾個工藝特征，與傳統技術相比顯示了極大的優勢。

2 3D打印技術在國外航空航天制造領域的發展

航空航天尖端制造領域是3D打印技術的重要應用領域之一。1993年以來，歐美發達國家紛紛制定了發展和推動3D打印技術的國家戰略和規劃，3D打印技術已受到政府、研究機構和企業的廣泛關注。美國在3D打印領域研究較早，一些著名高校和研究機構，如美國Sandia國家實驗室、Los Alamos國家實驗室、賓夕法尼亞大學、AeroMet公司等，很早就投入到3D打印技術的研發中。2012年，美國政府宣布將投資10億美元用于美國制造體系的改革，美國國家增材制造創新聯盟2014年資助的15個項目中60%與航空航天直接相關。英國政府自2011年開始持續增加對3D打印技術的研發經費，2014年資助考文垂大學6000萬英鎊，建設開發航空部件的國家增材制造中心；德國、法國、瑞士等國也投入了大量資金，通過優惠政策等推進國家在3D打印技術領域的發展。

國外3D打印技術領域在眾多科研機構、科技公司及政府支持下，3D打印技術在航空航天制造領域的工程應用取得了長足發展。1）在航空制造領域的應用。美國的AeroMet公司完成了激光快速成形鈦合金機翼結構件的地面性能考核試驗；美國Optomec Design公司采用3D打印技術進行了飛機發動機零件的磨損修復，取得了很好的效果；波音公司利用3D打印技術制造了大約300種不同的飛機零部件。2）在航天制造領域的應用。美國噴氣推進實驗室與紅眼公司合作，打印出了氣象、電離層和氣候星座觀測系統-2（COSMIC-2）衛星的功能天線陣結構。美國航空噴氣洛克達因公司與美國格倫研究中心及馬歇爾航天飛行中心，近兩年針對通過3D打印技術生產的火箭發動機噴嘴在3 316℃高溫下進行了一系列點火試驗；歐洲航天局和歐盟設立了邁向零廢棄物和高科技金屬產品的高效生產的增材制造（AMAZE）項目，旨在將第一臺3D金屬打印機運至國際空間站。

3 3D打印技術在國內航空航天制造領域的發展

國內3D打印技術的發展起步于20世紀90年代，多所高校和研究機構（如清華大學、西安交通大學、北京航空航天大學、西北工業大學、中航重機激光、北京殷華等）持續關注并開展了3D打印技術的研發和應用研究。2012年，中國3D打印技術產業聯盟成立，同年，工信部聯合中國工程院制定了我國3D打印技術的技術路線圖與中長期發展戰略；2015年，工信部制定并發布了《國家增材制造發展推進計劃》，該計劃中指出了中國發展3D打印事業的主要目標：到2017年初步建立增材制造技術創新體系，培育5至10家年產值超過5億元、具有較強研發和應用能力的增材制造企業，并在全國形成一批研發及產業化示范基地等。本次規劃的重點發展方向為5點：第一，金屬材料增材制造；第二，非金屬材料增材制造；第三，醫用材料增材制造；第四，設計及工藝軟件；第五，增材制造裝備關鍵零部件。

在國家政策的大力扶持下，我國的3D打印技術在航空航天先進制造領域取得了一系列成績。中航工業一飛院在北京航空航天大學的協助下，將全三維數字化設計技術與最新的3D打印技術相結合，打印出了多個滿足強度、剛度和使用功能要求的飛機部件。成都飛機工業（集團）有限責任公司在針對機翼渦輪葉片修復過程中使用了3D打印技術。北京航空航天大學王華明教授團隊采用3D打印技術制造的某戰機鈦合金主承力構件加強框投影面積達5.02㎡，本次制造裝機評審順利通過，標志著我國成為目前世界上唯一掌握飛機鈦合金大型主承力結構件激光快速成形技術并實現裝機應用的國家。

4結論

3D打印技術作為一種在世界范圍內廣受關注的新興技術，推動了航空航天制造等先進技術的發展。endprint