【干貨】3D打印技術(shù)對(duì)航空制造業(yè)發(fā)展的影響

新材料,、新工藝,、新機(jī)器人,、新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造服務(wù)，生產(chǎn)會(huì)更加經(jīng)濟(jì),、高效,、靈活、精簡(jiǎn),。3D打印技術(shù)作為“第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志”,，被認(rèn)為是推動(dòng)新一輪工業(yè)革命的重要契機(jī)，已經(jīng)引起全世界的廣泛關(guān)注,。3D打印技術(shù)作為具有前沿性,、先導(dǎo)性的新興技術(shù)，正在使傳統(tǒng)生產(chǎn)方式和生產(chǎn)工藝發(fā)生深刻變革,。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”在制造業(yè)掀起一場(chǎng)革命,。它最適合應(yīng)用于多品種、小批量,、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,、原材料價(jià)值量高的結(jié)構(gòu)制造，因此有望在航空制造領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用,。

1  3D打印的主流技術(shù)手段
3D打印技術(shù)原理是把一個(gè)通過(guò)設(shè)計(jì)或者掃描等方式做好的3D模型按照某一坐標(biāo)軸切成無(wú)限多個(gè)剖面,，然后一層一層打印出來(lái)并按原來(lái)的位置堆積到一起，形成一個(gè)實(shí)體的立體模型,�,？焖俪尚渭夹g(shù)使用的方法有很多種（圖1）,，比較主流的方法包括光固化立體成形（ SLA）、分層實(shí)體制造（ LOM）,、選擇性激光燒結(jié)（SLS）,、熔積成形（ FDM）等。

1) 光固化立體成形 光固化立體成形（圖2）由美國(guó)3D Systems公司在20世紀(jì)80年代后期推出,。它是在樹(shù)脂液槽中盛滿液態(tài)光敏樹(shù)脂,，使其在激光束的照射下快速固化，然后工作臺(tái)下降一層薄片的高度,，進(jìn)行第二層激光掃描固化,，如此重復(fù)，直到整個(gè)產(chǎn)品成形完畢,。  

2） 分層實(shí)體制造 供料機(jī)構(gòu)將底面涂有熱熔膠的箔材—段段地送至工作 臺(tái)的上方,。激光切割系統(tǒng)按照計(jì)算機(jī)提取的橫截面輪廓用CO2激光束對(duì)箔材沿輪廓線將工作臺(tái)上的紙割出輪廓線，并將紙的無(wú)輪廓區(qū)切割成小碎片(圖3),。

3） 選擇性激光燒結(jié)工藝 選擇性激光燒結(jié)(圖4)采用CO2激光器對(duì)粉末材料（塑料粉,、陶瓷與黏結(jié)劑的混合粉、金屬與黏結(jié)劑的混合粉等）進(jìn)行選擇性燒結(jié)．是一種由離散點(diǎn)一層層堆積成三維實(shí)體的工藝方法,。  

4） 熔積成形 熔積成形工藝是一種不依靠激光作為成形能源,，而將 各種絲材加熱熔化的成形方法(圖5)。   

2 3D打印技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展
3D打印技術(shù)的歷史由來(lái)已久,。1986年,，美國(guó)3D Systems公司推出了第一款工業(yè)化的“3D打印”設(shè)備，1990 年開(kāi)始銷(xiāo)售,，短短幾年形成了巨大的市場(chǎng),。3D打印設(shè)備應(yīng)用的方式有兩種：一種是大企業(yè)為自己的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)服務(wù)，如波音,、通用、福特,、戴姆勒-克萊斯勒三大汽車(chē)公司,、IBM、蘋(píng)果,、豐田等都在應(yīng)用,；另一種方式為大學(xué)、研究所甚至由六,、七個(gè)人組織的服務(wù)機(jī)構(gòu)以一臺(tái)或數(shù)臺(tái)成形機(jī)為中心,，開(kāi)展對(duì)中小企業(yè)的服務(wù)。目前,，全球有兩家3D打印機(jī)制造巨頭,，分別為3D Systems 和Stratasys,，均為美國(guó)上市公司，2011年?duì)I業(yè)收入分別是2.3億美元和1.6億美元,。2011年3D打印產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模為17億美元,。

目前，快速成形技術(shù)的市場(chǎng)應(yīng)用份額如圖6所示,，其中航空航天約占8%,。 自20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)多所高校開(kāi)展了3D打印技術(shù)的自主研發(fā),，并進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)化運(yùn)作,。西安交通大學(xué)、清華大學(xué),、華中科技大學(xué),、北京隆源公司、中航重機(jī)激光等院校和企業(yè)在典型的快速成形設(shè)備,、軟件,、材料等方面的研究和產(chǎn)業(yè)化獲得了重大進(jìn)展，我國(guó)快速成形技術(shù)的研究工作基本與國(guó)際同步,，但在快速成形技術(shù)新設(shè)備研發(fā)和應(yīng)用 方面則落后于國(guó)外,。國(guó)外快速成形技術(shù)在航空領(lǐng)域有超過(guò)8％的應(yīng)用量，而我國(guó)在這方面的應(yīng)用量則非常低,。據(jù)估計(jì),，3D打印設(shè)備在我國(guó)企業(yè)級(jí)裝機(jī)量在400臺(tái)左右，2010年以來(lái)年增速為70%左右,，市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)1億元,。

3 3D打印技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用
歐美已將3D打印技術(shù)視為提升航空航天領(lǐng)域水平的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。3D打印技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在3類(lèi)：外形驗(yàn)證,、直接產(chǎn)品制造和精密熔模鑄造的原型 制造等,。

1） 國(guó)外應(yīng)用情況
波音公司已經(jīng)利用三維打印技術(shù)制造了大約300種不同的飛機(jī)零部件，包括將冷空氣導(dǎo)入電子設(shè)備的形狀復(fù)雜導(dǎo)管,。目前波音公司和霍尼韋爾正在研究利用3D打印技術(shù) 打印出機(jī)翼等更大型的產(chǎn)品,。 空客在A380客艙里使用3D打印的行李架，在“臺(tái)風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)中也使用了3D打印的空調(diào)系統(tǒng),�,？湛凸�司最近提�� “透明飛機(jī)概念”計(jì)劃，制定了一張“路線圖”,，從打印飛機(jī) 的小部件開(kāi)始,，一步一步發(fā)展，最終在2050年左右用3D打印機(jī)打印出整架飛機(jī),。

“概念飛機(jī)”本身有許多令人眼花繚 亂的復(fù)雜系統(tǒng),，比如仿生的彎曲機(jī)身,，能讓乘客看到周?chē)�藍(lán)天白云的透明機(jī)殼等，采用傳統(tǒng)制造手段難以實(shí)現(xiàn),，3D打印或許是一條捷徑,。GE航空在2012年11月20日收購(gòu)了一家名為Morris Technologies的3D打印企業(yè)，計(jì)劃利用后者的3D打印技術(shù)打印LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)組件,。GE把這次收購(gòu)看作是對(duì)新制造技術(shù)的投資,，認(rèn)為具備處理新興材料與復(fù)雜設(shè)計(jì)的工藝制造開(kāi)發(fā)能力，對(duì)GE的未來(lái)至關(guān)重要,。


2） 國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況
中航重機(jī)激光技術(shù)團(tuán)隊(duì)早在2000年前后,，開(kāi)始進(jìn)行“3D激光焊接快速成形技術(shù)”研發(fā)。目前,，中航重機(jī)激光產(chǎn)品已應(yīng)用于我國(guó)多款新型軍用飛機(jī),，并起到關(guān)鍵作用。除了軍用飛機(jī),，中航重機(jī)激光還在開(kāi)拓整體葉盤(pán)應(yīng)用市場(chǎng),，以及大型水面水下艦艇市場(chǎng)。 北京航空航天大學(xué)同我國(guó)主要飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所等單位通過(guò)“產(chǎn)學(xué)研”緊密合作,，瞄準(zhǔn)大型飛機(jī),、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，歷經(jīng)17年研究在國(guó)際上首次全面突破了鈦合金,、超高強(qiáng)度鋼等難加工大型復(fù)雜整體關(guān)鍵構(gòu)件激光成形工藝,、成套裝備和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，并已在飛機(jī)大型構(gòu)件生產(chǎn)中研發(fā)出五代,、10余型裝備系統(tǒng),，已經(jīng)受近十年的工程實(shí)際應(yīng)用考驗(yàn)，使我國(guó)成為迄今唯一掌握大型整體鈦合金關(guān)鍵構(gòu)件激光成形技術(shù)并成功實(shí)現(xiàn)裝機(jī)工程應(yīng)用的國(guó)家,。2013年1月18日,，王華明聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)?wèi){“3D激光快速成形技術(shù)”獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。

4 3D打印對(duì)生產(chǎn)方式的變革
相對(duì)于傳統(tǒng)制造業(yè),，3D打印使制造模式,、流程、供應(yīng)鏈等方面發(fā)生巨大變化,。

1） 定制成為新標(biāo)準(zhǔn) 制造模式上，過(guò)去是生產(chǎn)線規(guī)�,；�生產(chǎn),，今后則可能更多的是數(shù)字化、個(gè)性化,、分散化的定制生產(chǎn),，不再需要庫(kù)存大量零部件,，也不需要大量生產(chǎn)。
2） 縮短上市時(shí)間 3D打印無(wú)需機(jī)械加工或任何模具,，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件,，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期。
3） 更優(yōu)越的產(chǎn)品性能 3D打印的產(chǎn)品是自然無(wú)縫連接,，結(jié)構(gòu)之間的穩(wěn)固性和連接強(qiáng)度要高于焊接等傳統(tǒng)方法,。  
4） 開(kāi)放式的產(chǎn)品設(shè)計(jì) 3D打印產(chǎn)品設(shè)計(jì)者與消費(fèi)者之間可以通過(guò)互動(dòng)改進(jìn)產(chǎn)品，這個(gè)互動(dòng)是雙向的,，消費(fèi)者也可以自己設(shè)計(jì)產(chǎn)品,。
5）改變離岸經(jīng)濟(jì)模式 3D打印對(duì)產(chǎn)品供應(yīng)鏈有重大影響，選擇生產(chǎn)地時(shí),，勞動(dòng)力成本不再那么重要,，而是考慮如何接近消費(fèi)者，傳統(tǒng)過(guò)程的供應(yīng)鏈就變得短了,，使得傳統(tǒng)的離岸經(jīng)濟(jì)模式得以改變,。

5 3D打印產(chǎn)業(yè)的未來(lái)發(fā)展前景
對(duì)于3D打印未來(lái)的發(fā)展前景，業(yè) 界普遍看好,。作為全國(guó)工業(yè)的主管部門(mén),，工信部準(zhǔn)備組織研究制定3D打印技術(shù)路線圖、中長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略,，推動(dòng)完善3D打印技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)制定,，研究制定支持3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展的專(zhuān)項(xiàng)財(cái)稅政策。據(jù)報(bào)道,，科技與信息化部的3D打印相關(guān)戰(zhàn)略規(guī)劃也正在研究制定中,，近期即將公布。據(jù)高德納（Gartner）公司2012年的新興技術(shù)炒作周期報(bào)告判斷：3D打印技術(shù)目前正在進(jìn)入概念炒作的高峰階段,，在5～10年的時(shí)間內(nèi)將迎來(lái)發(fā)展高峰（圖7）,。  

據(jù)Wohlers Associates報(bào)告分析，全球3D打印產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值在1988～2010年間保持著26.2%的年均增速,。2011年3D打印產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模為17億美元,，到2016年產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值將達(dá)到31億美元，2020年將達(dá)到52億美元,，其中零部件制造將占80%,。而對(duì)于快速成形應(yīng)用領(lǐng)域，則市場(chǎng)更為廣闊,。2012年,，全世界快速成形制造的產(chǎn)值估計(jì)為230億美元，2015年產(chǎn)值將會(huì)達(dá)到350億美元。 3D打印技術(shù)要想進(jìn)一步擴(kuò)展其產(chǎn)業(yè)應(yīng)用空間,，目前仍面臨著一些瓶頸和挑戰(zhàn)：

一是成本方面,，現(xiàn)有3D打印機(jī)造價(jià)仍普遍較為昂貴，給其進(jìn)一步普及應(yīng)用帶來(lái)了困難,；
二是打印材料方面,，目前3D打印的成形材料多采用化學(xué)聚合物，選擇的局限性較大,，成形品的物理特性較差,，而且安全方面也存在一定隱患；
三是精度,、速度和效率方面,，目前3D打印成品的精度還不盡人意，打印效率還遠(yuǎn)不適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的需求,，而且受打印機(jī)工作原理的限制,，打印精度與速度之間存在嚴(yán)重沖突；
四是產(chǎn)業(yè)環(huán)境方面,，3D打印技術(shù)的普及將使產(chǎn)品更容易被復(fù)制和擴(kuò)散,，制造業(yè)面對(duì)的盜版風(fēng)險(xiǎn)大增，現(xiàn)有知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)機(jī)制難以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)未 來(lái)發(fā)展的需求,。

6 3D打印技術(shù)未來(lái)發(fā)展的主要趨勢(shì)
隨著智能制造的進(jìn)一步發(fā)展成熟,，新的信息技術(shù)、控制技術(shù),、材料技術(shù)等不斷被廣泛應(yīng)用到制造領(lǐng)域,，3D打印技術(shù)也將被推向更高的層面。未來(lái),，3D打印技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化,、智能化、通用化以及便捷化等主要趨勢(shì),。 提升3D打印的速度,、效率和精度，開(kāi)拓并行打印,、連續(xù)打印,、大件打印、多材料打印的工藝方法,，提高成品的表面質(zhì)量,、力學(xué)和物理性能，以實(shí)現(xiàn)直接面向產(chǎn)品的制造,；開(kāi)發(fā)更為多樣的3D打印材料,，如智能材料,、功能梯度材料、納米材料,、非均質(zhì)材料及復(fù)合材料等，特別是金屬材料直接成形技術(shù)有可能成為今后研究與應(yīng)用的又一個(gè)熱點(diǎn),；3D打印機(jī)的體積小型化,、桌面化，成本更低廉,，操作更簡(jiǎn)便,，更加適應(yīng)分布化生產(chǎn)、設(shè)計(jì)與制造一體化的需求以及家庭日常應(yīng)用的需求,；軟件集成化,，實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/RP的一體化，使設(shè)計(jì)軟件和生產(chǎn)控制軟件能夠無(wú)縫對(duì)接,，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者直接聯(lián)網(wǎng)控制的遠(yuǎn)程在線制造,。

7 航空制造業(yè)整合3D打印技術(shù)的建議
我國(guó)是制造業(yè)大國(guó)，3D打印技術(shù)對(duì)中國(guó)諸多企業(yè)將是顛覆性的變革,。我國(guó)航空制造業(yè)必須未雨綢繆,，積極為迎接此技術(shù)革命做好準(zhǔn)備。
1） 推進(jìn)“產(chǎn)學(xué)研用”結(jié)合,，拓展應(yīng)用領(lǐng)域,，延伸產(chǎn)業(yè)鏈，提高產(chǎn)業(yè)化程 度,。
2） 改變產(chǎn)品,，如研發(fā)現(xiàn)有產(chǎn)品的數(shù)字版及3D打印所需相應(yīng)的硬軟件。
3） 改變制造過(guò)程和方法,，首先將現(xiàn)有制造系統(tǒng)智能化自動(dòng)化,，并引入3D制造系統(tǒng)，將3D打印的增材和傳統(tǒng)的減材制造結(jié)合,，形成復(fù)合體系,。因?yàn)楝F(xiàn)有技術(shù)不會(huì)完全消失，雜交制造體系在今后將會(huì)長(zhǎng)期存在,。
4） 改變商業(yè)模式,。這一新工業(yè)革命要求完全不同的價(jià)值獲取與盈利模式，及相關(guān)的流程設(shè)計(jì),，資源配置和組織機(jī)構(gòu)的形式,。
5） 通過(guò)一些資本化運(yùn)作手段，兼并收購(gòu)一些具有核心技術(shù)的3D打印企業(yè),，以核心制造能力和低成本的制造效率為重點(diǎn),，打造航空企業(yè)自身的價(jià)值元寶曲線,，或許是在這次工業(yè)革命中實(shí)現(xiàn)快速趕超的有效途徑。


編輯：南極熊
作者：楊恩泉