3D打印技術(shù)發(fā)展及在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用

3D打印技術(shù)（又稱增材制造技術(shù)）是信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù),、先進材料技術(shù)與數(shù)字制造技術(shù)的密切結(jié)合，是先進制造業(yè)的重要組成部分,，其與信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的深度融合,，給各行各業(yè)發(fā)展帶來變革性影響。南極熊覺得當前,，3D打印技術(shù)持續(xù)發(fā)展,，市場規(guī)模快速增長，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用不斷擴大,。
3D打印技術(shù)在技術(shù)方法,、制造平臺、行業(yè)標準等方面取得重要進展,，在市場規(guī)模方面保持快速增長態(tài)勢,。

3D打印技術(shù)方法研究取得新進展   

連續(xù)液面生長（CLIP）技術(shù)

美國是3D打印技術(shù)的發(fā)源地,，擁有最前沿的3D打印技術(shù),，在3D打印方法創(chuàng)新方面取得新的重大進展。2015年3月,，美國Carbon 3D公司開發(fā)出一種革命性3D打印技術(shù)——連續(xù)液面生長（CLIP）技術(shù),，打印速度比傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)快25~100倍，并且可制造出之前幾乎不可實現(xiàn)的超復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)形狀,，極大推進了3D打印技術(shù)的應(yīng)用,。該技術(shù)通過在紫外線對光聚合的觸發(fā)作用以及氧氣對光聚合的抑制作用中找到平衡，可連續(xù)作業(yè),，實現(xiàn)真正意義的3D打印,。采用該技術(shù)打印成形的零件特征尺寸最小可小于20微米，比一張紙厚度的1/4還要薄,。2016年1月,，美國西北大學(xué)研究出新的金屬3D打印方法——兩步法。該方法采用一種由金屬粉末,、溶劑和粘結(jié)劑組成的液態(tài)油墨材料,，通過注射或擠壓工藝打印出坯體，之后在熔爐里燒結(jié),。該方法能夠打印金屬混合物,、合金、金屬氧化物等多種金屬,，并使3D打印更快,、更便宜、更均勻,。

3D打印制造平臺研究步伐加快   
3D打印技術(shù)控制系統(tǒng)與平臺建設(shè)是支持3D打印技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ),。美國3D系統(tǒng)公司是全球3D打印技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，在美國空軍研究實驗室支持下,，該公司將與霍尼韋爾公司,、諾斯羅普·格魯曼公司、洛克希德·馬丁公司等大型軍工企業(yè)共同研發(fā)高精度閉環(huán)先進制造與監(jiān)控平臺,，用于制造航空航天零部件,，滿足飛行器在飛行過程中精度高、功能強、可重復(fù)使用的特定需求,。

2015年11月,，美國Arevo實驗室推出了機器人增材制造平臺（RAM），用于超強熱塑性復(fù)合材料零部件的快速,、高效3D打印,。該平臺將ABB機器人公司的商用6軸機器人系統(tǒng)與熔融沉積成形技術(shù)、末端執(zhí)行器硬件以及一套綜合的軟件套件集成在一起,，實現(xiàn)對高性能碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料零部件的3D打印,。2016年2月，美國西亞基公司公布了基于電子束增材制造（EBAM）工藝的金屬3D打印系統(tǒng)專用的IRISS閉環(huán)控制系統(tǒng),。IRISS是一種沉積層內(nèi)部實時成像和傳感系統(tǒng),，具有實時監(jiān)控和處理數(shù)據(jù)的功能，為制造商在較大尺寸的金屬3D打印零部件的質(zhì)量和性能控制方面提供支持,。

3D打印行業(yè)標準化進一步完善   

SME聯(lián)手TCT合辦2017年RAPID 3D打印展

技術(shù)標準是3D打印行業(yè)發(fā)展必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié),。隨著3D打印技術(shù)的興起，標準管理部門和研究機構(gòu)開始謀劃行業(yè)標準并制定相關(guān)標準,。2015年7月,，歐盟的“增材制造標準化支持行動（SASAM）”計劃發(fā)布了一份增材制造標準化路線圖。作為歐洲標準的一個模板,，該路線圖闡述了標準化對于產(chǎn)業(yè)應(yīng)用及現(xiàn)有增材制造技術(shù)標準發(fā)展的重要性,，明確了標準化與優(yōu)先關(guān)注標準之間的差距。但由于標準研究機構(gòu)之間缺乏統(tǒng)籌,，導(dǎo)致3D打印相關(guān)標準在一致性方面出現(xiàn)問題,。

為此，“美國制造”創(chuàng)新研究所與美國國家標準學(xué)會于2016年3月聯(lián)合成立一個跨部門協(xié)調(diào)機構(gòu)——“美國制造與美國國家標準學(xué)會增材制造標準化協(xié)作機構(gòu)”（AMSC）,，致力于協(xié)調(diào)并加速開發(fā)全行業(yè)的,、符合參與機構(gòu)需求的增材制造標準與規(guī)范，促進增材制造企業(yè)健康發(fā)展,。AMSC參與者主要來自私企,、設(shè)備制造商、材料供應(yīng)商,、政府,、學(xué)術(shù)界、標準開發(fā)機構(gòu)和認證機構(gòu)等,。

3D打印市場保持快速增長態(tài)勢   

《沃勒斯報告2016》

2016年4月,，增材制造行業(yè)的權(quán)威咨詢研究機構(gòu)——美國沃勒斯協(xié)會公司發(fā)布《沃勒斯報告2016》。該報告指出,，2015年全球增材制造和3D打印市場銷售額達到51.65億美元,，比2014年增長了10億美元,，增長率達到25.9%。同時,，2015年3D打印行業(yè)的年復(fù)合增長率低于過去3年的33.8%,，也比過去27年的平均年復(fù)合增長率26.2%稍低。

但是,，盡管2015年3D打印行業(yè)遭遇了一系列挑戰(zhàn),，但在多個領(lǐng)域出現(xiàn)了持續(xù)性增長，尤其是金屬3D打印和桌面3D打印,。2015年,，全球共有62家工業(yè)級3D打印系統(tǒng)（售價超過5000美元）廠商，2014年這一數(shù)字為49家,，2011年僅為31家,。2015年，售價低于5000美元的桌面型3D打印機銷量超過27.8萬臺,，比2014年的16萬臺高出74%。而金屬3D打印機的增長率約45%,，增速迅猛,。

3D打印在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用持續(xù)深化
隨著3D打印技術(shù)快速發(fā)展，政府,、軍方等機構(gòu)紛紛出臺政策支持3D打印技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用,，使3D打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用更廣泛深入。

3D打印得到政府和軍方大力支持,，政策環(huán)境進一步優(yōu)化   

美國國家增材制造創(chuàng)新機構(gòu)（NAMII,，現(xiàn)名“美國制造”）發(fā)布新版增材制造技術(shù)路線圖。2015年9月該機構(gòu)發(fā)布了新版美國“增材制造技術(shù)路線圖”,，將設(shè)計,、材料、工藝,、價值鏈和增材制造基因組等5個技術(shù)領(lǐng)域設(shè)定為關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域,，每個領(lǐng)域下設(shè)多個子領(lǐng)域，按照技術(shù)成熟度分別對每個領(lǐng)域2013年—2020年發(fā)展重點進行了規(guī)劃,。上述這些領(lǐng)域是該機構(gòu)未來一段時期內(nèi)提升增材制造技術(shù)與制造成熟度的發(fā)展重點,，也是美國政府發(fā)展增材制造產(chǎn)業(yè)的重點。美國NAMII自成立以來為增材制造技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用提供了三輪資金資助,，總額超過2000萬美元,。


DARPA“開放式制造項目“�,？梢钥吹�,，在一個100倍顯微鏡下，兩個使用同樣材料3D打印的部件，差別相當大

美國國防高級研究計劃局（DARPA）實施“開放式制造項目”,，推動3D打印成為國防制造領(lǐng)域的主流技術(shù),。2015年5月DARPA宣布實施“開放式制造項目”，旨在開發(fā)快速鑒定技術(shù),，從而全面獲取,、分析并監(jiān)控制造過程，以預(yù)測最終產(chǎn)品的性能,，確保產(chǎn)品所需的置信度,，可靠保證飛機機翼或軍事系統(tǒng)的復(fù)雜部件批生產(chǎn)。該項目主要研究方向之一是開展“快速低成本增材料制造”研究,，重點研究金屬增材制造過程,。

美陸軍發(fā)布最新版《陸軍制造技術(shù)規(guī)劃報告》。2015年11月,，美國陸軍發(fā)布2016財年《陸軍制造技術(shù)規(guī)劃報告》,。報告簡要介紹了陸軍制造技術(shù)規(guī)劃的任務(wù)、組織機構(gòu),、投資策略等,，并從項目目標、實施方案,、成果,、效益、受影響的武器系統(tǒng)等方面,，對利用增材制造實現(xiàn)高價值航空資產(chǎn)修復(fù)/回收/再利用進行了研究,；對面向關(guān)鍵武器系統(tǒng)零部件直接制造、再制造及延壽的增材制造技術(shù)等6大領(lǐng)域的31個正在實施的重點項目進行了分析,。

3D打印應(yīng)用范圍進一步擴展,，由零部件擴大到整機   
3D打印技術(shù)已成為提高航天器設(shè)計和制造能力的一項關(guān)鍵技術(shù)，其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用范圍不斷擴展,。國外企業(yè)和研究機構(gòu)利用3D打印不僅打印出了飛機,、導(dǎo)彈、衛(wèi)星,、載人飛船的零部件,，還打印出了發(fā)動機、無人機,、微衛(wèi)星整機,，在成本、周期,、重量等方面取得了顯著效益,，充分顯示了3D打印技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用前景,。

在零部件級方面，空客公司采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)了超過1000個飛機零部件,，其中用于A350XWB寬體飛機的艙體支架獲得“2014年德國工業(yè)創(chuàng)新大獎”,；美國空軍第552空中控制聯(lián)隊利用Fortus 400mc 3D打印機成功打印出飛機座椅扶手的塑料端蓋，并首次獲得批準將其應(yīng)用于E-3預(yù)警機,，通過3D打印實現(xiàn)該部件的單位成本由8美元降低至2.5美元,；美國Aerojet Rocketdyne公司利用3D打印制造了首批12個“獵戶座”載人飛船噴管擴張段，制造時間比傳統(tǒng)制造工藝技術(shù)縮短了約40%,；俄羅斯托木斯克理工大學(xué)（TPU）設(shè)計并制造的首枚外殼由3D打印的CubeSat納米衛(wèi)星Tomsk-TPU-120于2016年3月底搭載進步MS-02太空貨運飛船被送往國際空間站,；美國海軍在2016年3月進行的“三叉戟”II D5潛射彈道導(dǎo)彈第160次試射中成功測試了首個使用3D打印的導(dǎo)彈部件——可保護導(dǎo)彈電纜接頭的連接器后蓋，使該零件的設(shè)計和制造時間縮短了一半,。

在整機級方面,，美國太空探索技術(shù)公司火箭實驗室發(fā)布了一臺用于低成本太空旅行的3D打印世界首款電動火箭發(fā)動機——Rutherford電動發(fā)射系統(tǒng)，采用該系統(tǒng)可將火箭發(fā)射成本由傳統(tǒng)燃料火箭發(fā)射的1億美元降至490萬美元,；英國南安普頓大學(xué)利用增強型ABS塑料打印出了一款成本僅為數(shù)千美元的小型無人機（Sulsa）,，俄羅斯Rostec公司也推出3D打印的多用途兩棲無人機，該無人機重3.8千克,，翼展為2.4米,，飛行速度可達100千米/小時，續(xù)航時間長達1.5小時,，從概念到原型僅花費兩個半月，生產(chǎn)時間約為31小時,，費用不到20萬盧布（約合3700美元）,。

3D打印應(yīng)用深度進一步加大，趨向“前端部署”   

當前,，隨著3D打印技術(shù)應(yīng)用深度不斷加大,，圍繞裝備維修與保障，在維修基地,、空間站,、戰(zhàn)場前沿等供應(yīng)鏈“前端”部署3D打印的趨勢愈加明顯，這無疑將改變現(xiàn)有的裝備維修模式與保障體系,。

一是在維修基地或裝備保障體系中增加3D打印技術(shù)部署,，一方面在國防預(yù)算日益吃緊的情況下推動成本節(jié)省的同時，還可以減少對由于國家之間政治關(guān)系緊張時無法被本國使用的國外零件的依賴,，即替代進口,。例如，韓國空軍利用3D打印技術(shù)制造其F-15K戰(zhàn)斗機噴氣發(fā)動機的高壓渦輪機蓋板,，將成本從4000萬韓元（3.4萬美元）減少到300萬韓元,，采購時間比原來的60天減少一半以上,，還通過3D打印將歐洲制造的運輸機揚聲器罩的制造周期由7個月減少至4~5小時，成本從621美元降低至35美元,。另一方面,，還可打印老舊或已停產(chǎn)零部件，提高軍事基地維護飛機的能力,。例如,，位于美國俄克拉荷馬州Tinker空軍基地的空軍后勤中心（OC-ALC）正在利用3D打印技術(shù)優(yōu)化工作流程，通過3D打印飛機發(fā)動機零部件和現(xiàn)代電子元器件,，維護B-52戰(zhàn)機的戰(zhàn)斗力,。

二是在空間站應(yīng)用3D打印技術(shù)，實現(xiàn)在太空3D打印制造,，需將原材料運送至國際空間站按需打印,。美國太空制造公司已開發(fā)出可在真空環(huán)境中使用的3D打印機，并于2014年8月將其運送至國際空間站,，宇航員不僅打印了3D測試件,，還打印了功能結(jié)構(gòu)件。雖然太空3D打印技術(shù)在國際空間站外實際使用仍面臨諸多挑戰(zhàn),，包括如何保證被打印的物體在太空中陽光直射下具有較長使用壽命,，以及如何控制打印過程中溫度變化等問題，但仍引起了美國NASA的重視,。

三是將3D打印技術(shù)部署在戰(zhàn)場前沿,，實現(xiàn)直接在戰(zhàn)場上打印零部件，刪減由再制造基地制造零部件,，然后運送到倉庫,，再安裝到某個組件里或運送到戰(zhàn)場中使用的中間過程環(huán)節(jié)，達到在最需要零部件的地方直接準確地滿足所需的目的,。目前,，美國國防后勤局正委托后勤管理研究所開展3D打印技術(shù)應(yīng)用咨詢，研究利用3D打印技術(shù)縮短軍隊供應(yīng)鏈,，減少庫存,，降低后勤保障成本。美國海軍已啟動“艦上打印”項目,，開發(fā)零件打印,、資格認證以及零件交付等一系列程序，評估可用于軍事用途的各種3D打印技術(shù)與材料,，以達到在海上艦艇中制造飛機零部件的目標,。近年來，美軍已使用3D打印技術(shù)打印出了油箱蓋,、醫(yī)療用品等較為簡單的產(chǎn)品,。

與傳統(tǒng)制造方式相比,，3D打印技術(shù)不僅可大幅度降低生產(chǎn)成本，還突破了傳統(tǒng)制造工藝對于復(fù)雜形狀的限制,，它帶來的是生產(chǎn)加工觀念的革命性轉(zhuǎn)變,，對推動全球航空航天領(lǐng)域的發(fā)展起到了重要作用。同時,，需要指出的是,，雖然3D打印技術(shù)具備快捷、方便,、低成本等顯著優(yōu)勢,，但仍面臨著應(yīng)用挑戰(zhàn)，如質(zhì)量保證,、知識產(chǎn)權(quán),、人員培訓(xùn)、信息安全等問題,。未來,，3D打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用將是“漸進式”而非“革命性”。

來源：北京航天情報與信息研究所
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