【詳解】3D打印在航空制造中的優(yōu)點(diǎn)與局限

3D打印技術(shù)是在上世紀(jì)70年代末期開始出現(xiàn),，主要應(yīng)用于產(chǎn)品研制階段的“快速原型”和生產(chǎn)階段的“快速制造”,。3D打印技術(shù)與曾經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的堆焊工藝方法相似，之所以稱為3D打印,，就是在成型工藝上采用CAD和計(jì)算機(jī)3D模型數(shù)據(jù),，將兩維基材通過不同融合方式組合成三維結(jié)構(gòu)。用在航空生產(chǎn)上的工藝方法主要有激光近凈成形技術(shù)（LENS）,、激光選區(qū)熔化技術(shù)（SLM）及電子束選區(qū)熔化技術(shù)（EBSM）,。

△世界上第一架采用噴氣動(dòng)力的3D打印無人機(jī)

3D打印復(fù)雜框類結(jié)構(gòu)毛坯的減重效果比較明顯，如F-22最大面積鍛造結(jié)構(gòu)框的毛坯重量為2790千克,，毛坯加工后的凈重量只有144千克,，材料去除比例達(dá)到了95%！如果按照已經(jīng)能夠驗(yàn)證的工藝要求制造盤形復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件,，鍛造工藝無法直接制成細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu),，材料利用率只有毛坯重量的約10%。鑄造則可以完成部分細(xì)節(jié)的粗略成型,，毛坯實(shí)際利用率可達(dá)到總重量的20%~25%,。3D打印可以直接制成與成品接近的外形，考慮到外表加工工藝和材料品質(zhì)要求，成品零件可以達(dá)到毛坯總重的60%~70%,，材料利用率和機(jī)加工效率都有很大提高,。

相對(duì)的，鑄造成型模具的再利用效果比較好,，成品芯型能進(jìn)行批量毛坯的制造,。鍛造的鍛壓模具成本雖然很高，工藝設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)要求也高,，但鍛造也有利于進(jìn)行批次生產(chǎn)毛坯的成型,。3D打印采用增材制造的工藝手段，無論只制造1個(gè)還是批制造100個(gè),，單件的生產(chǎn)時(shí)間和成本均沒有任何差異,，零件的成型工藝要求和品質(zhì)控制則更為嚴(yán)格,。

3D打印與其它制坯方式的對(duì)比
現(xiàn)階段3D打印技術(shù)的航空應(yīng)用主 要集中在金屬結(jié)構(gòu),，以坯材成型加工難度大的鈦合金和合金鋼為主，加工難度低的鋁材則更適合采用鍛鑄方式成型,。 3D打印航空零件的應(yīng)用已比較廣泛,。國外用于F-22的3D成型TC4接頭已經(jīng)達(dá)到2倍設(shè)計(jì)疲勞壽命，F(xiàn)/A-18的翼根吊架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的225%,，疲勞壽命也達(dá)到4倍設(shè)計(jì)要求,，C-17等型號(hào)的進(jìn)氣道附件也都開始批量應(yīng)用3D打印，部分3D打印件已能在現(xiàn)有機(jī)型制造中替代鈑金和精鑄件,。

中國在航空3D打印方面取得了很大的成績,，已有多個(gè)型號(hào)應(yīng)用3D打印的承力結(jié)構(gòu)，達(dá)到了縮短制造周期和簡化工藝的效果,，對(duì)產(chǎn)品減重的作用也比較明顯,，宣傳資料中甚至有過減重40%的說法。國內(nèi)很多軍迷僅根據(jù)這個(gè)40%和類似說法,，就對(duì)航空結(jié)構(gòu)減重抱有很大希望,，而這個(gè)40%雖然理論上存在可能，但要受到非常嚴(yán)格的條件和應(yīng)用限制,。

SLM制成品的尺寸精度較高,，但成 型體結(jié)構(gòu)密度控制效果不好，難以承受高載荷的結(jié)構(gòu)效應(yīng),，承力結(jié)構(gòu)的3D打印主要采用的是LENS,。按照已經(jīng)公開的3D打印整體框架坯材外形對(duì)比，3D打印件毛坯重量大致只有鍛造的15%,，這是3D打印的技術(shù)優(yōu)勢,，但坯材減重比并不代表最終制成品的重量對(duì)比。 飛機(jī)的整體結(jié)構(gòu)框架的設(shè)計(jì)要考慮到輕巧、堅(jiān)固,，以及工藝和成品機(jī)械/理化性能的一致性,，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格滿足標(biāo)準(zhǔn)化的要求，不同機(jī)型類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)并沒有大的差異,。

展覽上公開的3D打印承力框架制成品,，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與鍛造框架并沒有任何差別，區(qū)別僅體現(xiàn)在毛坯成型的工藝方式,。3D打印的LENS和SLM工藝均已比較成熟,，無論是采用激光還是電子束作為能量源，無論是使用粉材還是絲材作為基材,，材料本身的理化條件并不會(huì)因?yàn)榧庸し绞讲煌�而變��,。按現(xiàn)有技術(shù)，近凈成型燒結(jié)的材料理論密度比鍛造低近1%,，選區(qū)熔化方式成型的粉末材質(zhì)密度相對(duì)較小,，與鍛造件的密度差別也在3%以內(nèi)，工藝實(shí)現(xiàn)條件越好材料密度差異就越小,。

無論采用什么樣的3D成型方式,，同樣零件的材料性能如果沒有大的差別，零件的制成品重量就不會(huì)存在明顯的差別,。所以說,，3D打印坯材加工方式取得的減重效應(yīng)非常有限，考慮到目前3D打印的材料性能還不夠完善,，相比成熟的鍛造結(jié)構(gòu)容限保險(xiǎn)設(shè)計(jì)更多,，同樣設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)件的凈重甚至還要重些。

按照已公開的數(shù)據(jù)看,，3D打印鈦合金零件的成品件,，抗拉強(qiáng)度和硬度已達(dá)到鍛件的標(biāo)準(zhǔn)，但疲勞壽命和裂紋容限受工藝影響較大,，未來相當(dāng)時(shí)間里還缺乏全面替代鍛造的條件,。美國飛機(jī)制造中大量應(yīng)用整體鍛造框架，對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)的3D打印的應(yīng)用不夠積極,，就是考慮到了制成品壽命和質(zhì)量控制困難的因素,。中國在新機(jī)制造上應(yīng)用3D打印承力結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還投入很大資金和技術(shù)力量開發(fā)大型鍛壓機(jī),，也是因3D打印無法解決大型制造成品的批生產(chǎn)要求,。3D打印與鍛/鑄造各有優(yōu)勢，只要航空設(shè)計(jì)和生產(chǎn)體系還基于傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù),，鍛/鑄和軋壓仍將是主要工藝成型手段,，3D打印的結(jié)構(gòu)減重效應(yīng)就很難得到體現(xiàn),。

基于制造技術(shù)突破的減重措施
按照減重標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，3D打印的密度與鍛造的差異不到1%,，而要實(shí)現(xiàn)避免缺 陷和改善材料性能的目標(biāo),，密度差異其實(shí)是越小越好。按照實(shí)際生產(chǎn)條件去對(duì)比,，某簡單框架的成品重量如果接近300千克,，模鍛件毛坯重量大致在2700千克左右，3D打印的框架毛坯重量可以降低到接近500千克,，但成品重量與鍛造的理論區(qū)別還不到1千克,，僅比整體機(jī)械加工的尺寸誤差換算值略大。所以說,，從成品重量這個(gè)最終指標(biāo)去對(duì)比,，3D打印減重效果幾乎可以忽略不計(jì)。

那么宣傳資料中減重40%的說法是怎么來的,？這要從飛機(jī)結(jié)構(gòu)工藝去說明�,，F(xiàn)代航空制造的金屬成品結(jié)構(gòu)越復(fù)雜加工難度就越高，很多組合曲面結(jié)構(gòu)還必須依靠數(shù)控設(shè)備加工,。第三代之后的先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)采用翼身融合氣動(dòng)設(shè)計(jì),，很大程度上改善了飛機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和設(shè)計(jì)性能,。這種設(shè)計(jì)其實(shí)在上世紀(jì)30年代就已經(jīng)存在,，但在噴氣戰(zhàn)斗機(jī)應(yīng)用前期沒使用。融合體結(jié)構(gòu)框架存在大量連續(xù)曲面,，制造這些曲面的工藝難度非常大,，角度控制和表面連續(xù)性加工工藝要求高，很難依靠普通機(jī)加工設(shè)備成批制造,。數(shù)控設(shè)備在上世紀(jì)70年代大量應(yīng)用后,，三軸數(shù)控機(jī)床成為曲面加工的手段，飛機(jī)也就開始更多利用結(jié)構(gòu)曲面改善氣動(dòng)設(shè)計(jì),。

△3D打印無人機(jī)側(cè)視

連續(xù)曲面變角度結(jié)構(gòu)勢必會(huì)產(chǎn)生半封閉空間,。設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)機(jī)體結(jié)構(gòu)時(shí)必須考慮到可加工因素，半封閉或封閉復(fù)雜結(jié)構(gòu)難以整體成型加工,，必須分解成多個(gè)獨(dú)立的可加工零件,，采用組合件的方式滿足結(jié)構(gòu)外形與工藝的要求。組合件的問題是每個(gè)零件都必須滿足獨(dú)立強(qiáng) 度要求,，結(jié)構(gòu)件和桁條等結(jié)構(gòu)也要保證獨(dú)立承力的厚度,。采用鉚接和螺接組合零件時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)件緊固位置的孔強(qiáng)度還必須高于零件強(qiáng)度,。 如果要用螺栓固定某根壁厚2毫米的L型型材,，每個(gè)螺栓孔位置的厚度要超過平均厚度,，如果采用鉚釘則需要平均分布多個(gè)鉚釘孔。

組合件組合要求增加了零件的結(jié)構(gòu)重量,，組合用標(biāo)準(zhǔn)件也增加了整體重量,，對(duì)于某些小型的復(fù)雜輕金屬結(jié)構(gòu)，組合用標(biāo)準(zhǔn)件的重量甚至比零件本身的重量還要高,。 如果能夠通過工藝手段直接成型組合件,，一體化結(jié)構(gòu)將實(shí)現(xiàn)明顯的減重效果。

如兩個(gè)組合件的對(duì)合壁板厚度均為2毫米,，將其一體成型后的整體壁板只需要不到3毫米,，取消鉚釘施工要求又可以明顯降低重量。美國在F-16戰(zhàn)斗機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)中,，曾經(jīng)在前機(jī)身結(jié)構(gòu)改進(jìn)中應(yīng)用精密鑄造件,，用整體鋁合金鑄件替代鉚接組合件，使替代總重量超過11千克的組合件的精鑄件重量降低到4.7千克,。利用復(fù)合材料替代金屬材料時(shí),，雖然復(fù)合材料壁板的單體結(jié)構(gòu)重量比鋁合金高，但用桁條膠接為整體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料壁板,，卻能夠取消組合件的獨(dú)立桁條和固定鉚釘,，總重量反而比組合金屬結(jié)構(gòu)降低了接近30%。

3D打印直接體現(xiàn)的減重優(yōu)勢主要就是打印出復(fù)雜的封閉/半封閉零件,，直接取代由多個(gè)零件組成的組合件,，零件重量可以大幅度降低，固定零件的鉚釘和螺栓的數(shù)量也可以減少,，這才是3D打印減重最直接的應(yīng)用方式,。 飛機(jī)結(jié)構(gòu)一體化減重是效果最明顯的措施。航空系統(tǒng)很早就在爭取實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件一體化,，尤其是復(fù)合材料應(yīng)用到航空結(jié)構(gòu)件后,，曲面加筋壁板這種整體結(jié)構(gòu)相比金屬組合件，已經(jīng)表現(xiàn)出很突出的減重和降低零件數(shù)量的優(yōu)勢,。復(fù)合材料工藝水平發(fā)展很快,，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)全復(fù)合材料的飛機(jī)，但復(fù)合材料不僅存在成本高和工藝難度大的問題,，大部件制造還存在維護(hù)和維修難度高的使用困難,，限制了復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)大部件方面的應(yīng)用范圍。現(xiàn)代復(fù)合材料還無法取代結(jié)構(gòu)件的金屬材料,，3D打印則通過高度靈活的成型手段,，有利于實(shí)現(xiàn)金屬和多種金屬/非金屬組合結(jié)構(gòu)的一體化，與復(fù)合材料共同組成航空輕重量結(jié)構(gòu),。

3D打印不僅在結(jié)構(gòu)制造上可以發(fā)揮減重作用,，也有利于成品安裝和系統(tǒng)布局的減重和改進(jìn),。機(jī)載成品安裝支架 或運(yùn)動(dòng)裝置的支撐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，又不是承力結(jié)構(gòu),，很適合采用3D打印方式制造,。如果把現(xiàn)在普遍采用的組合件用3D整體件替代，利用高尺寸精度的選區(qū)熔化方式一體成型,，將有利于提高結(jié)構(gòu)一致性和裝卸更新的方便性,。

飛機(jī)的各種液體和氣體導(dǎo)管種類很多，分布廣泛,，管道走向還要避開結(jié)構(gòu)件和成品,，沒有辦法在飛機(jī)內(nèi)部設(shè)置長距離的直管。機(jī)載液,、氣管線存在很多彎曲度大的轉(zhuǎn)角,，為保證管道彎曲時(shí)的機(jī)械性能，必須在大的轉(zhuǎn)角位置采用轉(zhuǎn)向接頭,，消除因?yàn)樾“霃綇澒墚a(chǎn)生的應(yīng)力集中,，這就使管線敷設(shè)中需要使用很多工藝接頭。如果能夠在保證安裝和更換方便性的同時(shí),，3D打印出整體彎管替代傳統(tǒng)的機(jī)械彎管,、擴(kuò)口和接頭固定，將在保證管道彎曲尺寸要求的同時(shí),，降低管線的零件數(shù)量,，提高機(jī)械性能。取消接頭還能減少滲漏檢查和維護(hù)的接口數(shù)量,，一體成形的光滑內(nèi)壁還可以優(yōu)化管道內(nèi)部液體和氣體流動(dòng)效果,。

3D打印對(duì)復(fù)合材料的支持
3D打印不僅可以用于金屬和非金 屬材料,，還能夠用于碳纖維這類復(fù)合材料的制造,。

現(xiàn)代航空復(fù)合材料主要采用絲材鋪、繞和樹脂固化,。復(fù)合材料絲材采用鋪帶方式疊層制造成型,，使復(fù)合材料大都呈現(xiàn)平均厚度的平面結(jié)構(gòu)，組合件則采用粘接或標(biāo)準(zhǔn)件固定的方式,。如果將3D打印技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料制造,，將絲材的鋪疊和樹脂填充由平面向立體發(fā)展，能夠使復(fù)合材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)件一體成型,，省去零件粘接和共固化的后續(xù)工藝過程,，降低復(fù)合材料整體部件的制造周期，并避免組合加工過程控制中可能出現(xiàn)的工藝缺陷,。 3D打印可以制造出立體網(wǎng)格形的 復(fù)雜結(jié)構(gòu),，每個(gè)網(wǎng)格的空間尺寸可以達(dá)到高度一致,，雖然網(wǎng)格結(jié)構(gòu)并不適合獨(dú)立作為航空部件，但卻可以成為航空復(fù) 合結(jié)構(gòu)件的基材,。

△3D打印無人機(jī)的機(jī)翼結(jié)構(gòu)特寫

網(wǎng)格結(jié)構(gòu)基材與復(fù)合材料纖維組合,，利用樹脂固化/燒結(jié)金屬/陶瓷與復(fù)合材料，能較好兼顧強(qiáng)度,、曲面外形和安裝組合的要求,。高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)全復(fù)合材料葉片與金屬葉盤組合時(shí)，不同的材料機(jī)械,、熱性能對(duì)工藝要求很高,，設(shè)計(jì)和施工難度也很大。如果用3D打印技術(shù)將金屬基材料與復(fù)合材料組合制成葉片,，金屬的葉根與盤體材料性能一致,，能明顯降低發(fā)動(dòng)機(jī)葉盤的組裝難度，也有利于在發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)中直接替代全金屬葉片,，為發(fā)動(dòng)機(jī)整體減重提供非常大的改進(jìn)空間,。

3D打印的應(yīng)用限制
3D打印能夠有效提高航空產(chǎn)品的工藝和制造水平，通過結(jié)構(gòu)減重改善航空器性能的潛力也很大,，但實(shí)際應(yīng)用所 面對(duì)的技術(shù)局限也非常明顯,，直接限制了3D打印在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。 3D打印的一體化制造能夠取得減重效應(yīng),，那把飛機(jī)的大部件都用3D打出來不行嗎,？飛機(jī)大部件全3D打印的技術(shù)難度并不算大，目前國外已實(shí)現(xiàn)長度超過5米,，直徑1.2米矩形框的3D整體成型,，將飛機(jī)前機(jī)身的框架一體化制造，在加工工藝方面是沒有問題的,。理論上只要結(jié)構(gòu)材料相同,，大部件整體打印并沒有什么難度，選區(qū)熔化成型件的表面粗糙度比較高,，基本能滿足替代鈑金組合件的工藝要求,。問題是現(xiàn)在的飛機(jī)結(jié) 構(gòu)并不僅是要滿足尺寸要求，而是要滿足飛機(jī)使用和維護(hù)的各方面需要,。

現(xiàn)代作戰(zhàn)飛機(jī)的機(jī)載設(shè)備分布全機(jī),，飛行控制、燃料和電源系統(tǒng)的導(dǎo)管與線纜同樣分布廣泛,。遍布全機(jī)的設(shè)備和管線需要頻繁維護(hù),，這就要求飛機(jī)表面必須開有對(duì)應(yīng)的檢查口蓋，先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的表面開口率甚至可以超過60%,。設(shè)備檢查開口需要內(nèi)部結(jié)構(gòu)避讓,，機(jī)體結(jié)構(gòu)還要留出故障件更換所需的操作空間,。如果機(jī)體結(jié)構(gòu)的大部件實(shí)現(xiàn)一體化，內(nèi)部成品設(shè)備和導(dǎo)管等無法分解的部件,，將很難利用外場維護(hù)條件實(shí)現(xiàn)無損更新,。

如果把內(nèi)部設(shè)備分解化裝配，成品與導(dǎo)管增加的接頭和組合件,，又會(huì)在很大程度上消耗掉結(jié)構(gòu)整體化的收益,，增加外場維修和檢查難度將惡化飛機(jī)的完好率，也不利于軍用飛機(jī)隨使用過程進(jìn)行改裝完善�,，F(xiàn)代軍用飛機(jī)的改進(jìn)很頻繁,，如美國海軍已退役的F-14艦載戰(zhàn)斗機(jī)，各種設(shè)備和結(jié)構(gòu)隨飛機(jī)生產(chǎn)過程調(diào)整,，最終幾乎不存在兩架結(jié)構(gòu)和成品完全一致的飛機(jī),。如果實(shí)現(xiàn)3D打印大部件直接替代組合件，現(xiàn)在的很多改進(jìn)措施事實(shí)上將無法應(yīng)用,，或在改進(jìn)中必須對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大范圍更換,，時(shí)間與資金的消耗直接限制了飛機(jī)改造的效費(fèi)比。

事實(shí)上,，越是功能和設(shè)備簡單的飛機(jī)越容易實(shí)現(xiàn)一體化,，越是設(shè)備和功能要求復(fù)雜的飛機(jī)，對(duì)結(jié)構(gòu)可拓展性和包容性的要求就越高,，采用大規(guī)格一體化結(jié)構(gòu)的難度和全壽命成本就越大,。維護(hù)難度是限制大規(guī)格一體化結(jié)構(gòu)的難點(diǎn)，飛機(jī)本身的使用特點(diǎn)更影響到整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍,。 現(xiàn)代噴氣戰(zhàn)斗機(jī)的飛行速度可達(dá)到M1.5,，地面停放時(shí)的低溫可達(dá)到-50℃，飛行時(shí)也存在結(jié)冰等低溫環(huán)境的影響,，但駐點(diǎn)溫度在高速飛行時(shí)甚至要超過百度,，M2以上速度的駐點(diǎn)溫度甚至可以達(dá)到200℃，機(jī)體外表和結(jié)構(gòu)還要承受高速飛行的速壓,。

同時(shí),，飛機(jī)內(nèi)部設(shè)備艙和管線需要進(jìn)行溫度和壓力控制，發(fā)動(dòng)機(jī)段存在高溫區(qū),，均使機(jī)體結(jié)構(gòu)和蒙皮要反復(fù)承受高/低溫和壓力變換的影響。金屬材料在飛機(jī)使用過程中,，不同材料和結(jié)構(gòu)存在不同的膨脹系數(shù),，不同使用環(huán)境將對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生多種狀態(tài)的應(yīng)力。整體固定結(jié)構(gòu)勢必集中承受這些應(yīng)力作用,，大規(guī)格整體結(jié)構(gòu)很難平衡各種因素的影響,，很容易因?yàn)閼?yīng)力集中和傳導(dǎo)產(chǎn)生破損和裂紋,，結(jié)構(gòu)損壞將主要集中在零件的折角和孔位。組合件雖然在加工和使用中存在問題,，但組合件本身就是個(gè)分解應(yīng)力的分散結(jié)構(gòu),，更容易承受飛機(jī)使用的惡劣環(huán)境要求，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形和裂紋時(shí)也方便更換破損零件,，這也是3D打印大部件難以替代的技術(shù)優(yōu)勢,。

3D打印大部件的應(yīng)用前景
3D打印可以支持航空設(shè)計(jì)師實(shí)現(xiàn)夢寐以求的組合件最大化，以及最小化裝配量的高經(jīng)濟(jì)性目標(biāo),。通過3D打印技術(shù)制造整體零件,，有條件把維護(hù)和結(jié)構(gòu)允許的部分一體化，大幅度減少因?yàn)?零件數(shù)量和裝配工藝所產(chǎn)生的重量,，使飛機(jī)設(shè)計(jì)和裝配的難度明顯得到降低,。國內(nèi)外現(xiàn)階段3D打印的應(yīng)用范圍還不大，主要集中在復(fù)雜零件的快速原型和小批制造,，但以鑄造件對(duì)航空裝備減重的效果作為依據(jù),，只要突破了設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，3D打印一體化應(yīng)用的發(fā)展將是必然的趨勢,。

△3D打印的飛機(jī)零件
隨著3D打印技術(shù)應(yīng)用成熟度的提高,，也將出現(xiàn)相應(yīng)的工藝和制造規(guī)范。3D打印只要突破整體大部件材料堆積速度和制成品質(zhì)量/壽命控制的難關(guān),，將會(huì)首先在大型民用和軍用特種飛機(jī)（普遍采用民用飛機(jī)作為平臺(tái)）制造中得到應(yīng)用,。民用大飛機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)尺寸大，機(jī)體開口比例低,，飛機(jī)交付后一般不會(huì)進(jìn)行大的結(jié)構(gòu)改動(dòng),，適合3D打印一體化大部件的應(yīng)用。按照空客公司的設(shè)想,，未來的民用飛機(jī)可以利用3D打印的方式,，采用“鳥巢”式網(wǎng)格結(jié)構(gòu)整體成型機(jī)體，用透明件填充框架,，讓民用客機(jī)擁有“花房”式全景布局的機(jī)體,，最大化發(fā)揮3D打印所帶來的性能和使用優(yōu)勢。

國外已經(jīng)制造出全3D打印的無人機(jī)的機(jī)體和發(fā)動(dòng)機(jī),，實(shí)現(xiàn)用3D打印生產(chǎn)小型化,、低維護(hù)要求航空產(chǎn)品的目標(biāo)。按照國外航空企業(yè)的遠(yuǎn)景規(guī)劃,，到2050年就有實(shí)現(xiàn)飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)3D打印成型的可能,，屆時(shí)將會(huì)出現(xiàn)由3D打印大部件組成的實(shí)用型民用中、大型航空器。

3D打印實(shí)際應(yīng)用的成本和成熟性
3D打印可降低毛坯件重量和減少機(jī)加工時(shí)間,，能提高生產(chǎn)速度和降低成本,，但這只是比較零件的后期加工費(fèi)用，而沒有考慮到全生產(chǎn)周期的綜合成本,。 3D打印需要精細(xì)度很高的粉材作 為基材,。高精細(xì)度和高純度的粉材，制 造工藝和單位重量成本遠(yuǎn)高于金屬坯材基料,。普通的民用塑料件每千克成本不 過幾十元,，可用于3D打印的同材料粉材 每千克成本上百元，進(jìn)口高品質(zhì)粉材的成本可達(dá)幾百元,，航空用金屬材料的坯,、粉材料成本差異也大體相似。

事實(shí)上,，3D打印的基材本身就要對(duì)原坯進(jìn)行專門的加工,，使冶煉坯料成為可用于燒結(jié)的高純度粉材，而宣傳3D打印時(shí)卻很少考慮這方面的生產(chǎn)周期和成本,。嚴(yán)格說起來,，常規(guī)鍛件由鑄造的坯材軋壓成型后加工，與先制成粉材后再通過燒結(jié)方式3D成型后加工,，綜合成本必須統(tǒng)計(jì)整個(gè)生產(chǎn)周期的成本,，而不是僅去對(duì)比毛坯件成型和機(jī)加工周期成本。

3D打印航空零件雖然已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用了十幾年,，但作為關(guān)鍵件使用的歷史并不長,，沒有哪個(gè)型號(hào)真正完成了全壽命實(shí)際使用的驗(yàn)證。3D打印零件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)確實(shí)比較理想,，但與經(jīng)過上百年傳承的常規(guī)工藝相比,，3D打印存在有很多還不夠清晰的應(yīng)用問題，需要經(jīng)過長時(shí)間使用才能夠積累足夠的數(shù)據(jù),。 3D打印減重最直接的措施就是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)一體化,，而沒有得到完整的設(shè)計(jì)體系支持的一體化，僅能在生產(chǎn)制造階段發(fā)揮直接作用,，在周期最長的使用階段的經(jīng)濟(jì)效益卻缺乏驗(yàn)證,，而且存在比常規(guī)工藝更大的質(zhì)量控制風(fēng)險(xiǎn)。3D打印零件需要長時(shí)間使用才能積累應(yīng)用數(shù)據(jù),，目前設(shè)計(jì)師和使用者都不敢放開3D打印的應(yīng)用范圍,。

△3D打印的微型航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測試

3D打印能適應(yīng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，工藝實(shí)現(xiàn)難度比鑄/鍛要低,。但是,，3D打印單件與批量的生產(chǎn)消耗沒有差異,，相比之下,，鍛/鑄生產(chǎn)制造出模具就可以重復(fù)制造,，批生產(chǎn)消耗明顯低于首件。因此,，達(dá)到批生產(chǎn)效益平衡點(diǎn)的可以利用3D制造,，否則還是應(yīng)采用常規(guī)方式。 現(xiàn)代軍機(jī)的正常生產(chǎn)周期在1年左右,，飛機(jī)壽命卻能達(dá)到30年,，結(jié)構(gòu)壽命也有近萬飛行小時(shí)，這個(gè)期間所面對(duì)的問題遠(yuǎn)比生產(chǎn)周期更多,，也更復(fù)雜,。

3D打印用于設(shè)計(jì)驗(yàn)證與原型機(jī)的快速制造時(shí)，短周期和低成本的優(yōu)勢明顯,，如果把3D打印零件廣泛用于批生產(chǎn)型號(hào),，帶來的縮短生產(chǎn)周期和降低成本的收益是否能平衡全壽命周期內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)還是問號(hào)。3D打印是足以影響航空設(shè)計(jì)和制造的前沿技術(shù),，但這種技術(shù)真正融合到航空工藝體系中,，所需要的時(shí)間和應(yīng)用研究還遠(yuǎn)非現(xiàn)在的規(guī)模所能企及。

編輯：南極熊
作者：江雨