淺析3D打印在航空航天領(lǐng)域4大發(fā)展優(yōu)勢,，我國存在這4種差距！

來源：材料委

為第三次工業(yè)革命制造領(lǐng)域的典型代表技術(shù),，3D打印的發(fā)展時刻受到各界的廣泛關(guān)注,。而金屬高性能增材制造技術(shù)(金屬3D打印技術(shù))被行內(nèi)專家視為3D打印領(lǐng)域高難度、高標準的發(fā)展分支,，在工業(yè)制造中有著舉足輕重的地位。現(xiàn)如今,，世界各國工業(yè)制造企業(yè)都在大力研發(fā)金屬增材制造技術(shù),，尤其是航空航天制造企業(yè)，更是不惜耗費大量財力,、物力加大研發(fā)力度,，以確保自己的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢。

3D打印在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展優(yōu)勢
1. 縮短新型航空航天裝備的研發(fā)周期
航空航天技術(shù)是國防實力的象征,，各國之間競爭異常激烈,。因此各國都試圖以更快的速度研發(fā)出更新的武器，確保在國防領(lǐng)域處于不敗之地,。而金屬3D打印技術(shù)讓高性能金屬零部件的制造流程大幅縮短,，無需研發(fā)零件制造過程中使用的模具，極大地縮短產(chǎn)品研發(fā)制造周期,。


2. 提高材料利用率,、降低成本
航空航天制造領(lǐng)域多采用價格昂貴且較難加工的戰(zhàn)略材料，如鈦合金,、鎳基高溫合金等金屬材料,。傳統(tǒng)制造方法材料使用率低,、機械加工程序復(fù)雜、生產(chǎn)周期長,、成本高,。3D打印技術(shù)可將材料的使用率普遍提升到60%，甚至高達90%以上,，從而降低制造成本,、節(jié)約原材料。

3. 優(yōu)化零件結(jié)構(gòu),、增加使用壽命
對于航空航天,、武器裝備而言，減輕重量是永恒不變的主題,。波音737約重65公噸,，若減重1磅（約0.45千克），每年則能為航空公司節(jié)省幾十萬美元,。據(jù)GE航空白皮書所述,，將此數(shù)字延伸到全球所有航空器和其節(jié)省的資金，將超過一千萬美元,。

傳統(tǒng)制造方法已經(jīng)將零件減重發(fā)揮到了極致,，但3D打印技術(shù)的應(yīng)用可以優(yōu)化復(fù)雜零部件的結(jié)構(gòu)，在保證性能的前提下,，將復(fù)雜結(jié)構(gòu)變換成簡單結(jié)構(gòu),，從而起到減輕重量的效果。3D打印技術(shù)通過優(yōu)化零件結(jié)構(gòu),，使零件的應(yīng)力呈現(xiàn)出最合理化的分布,，減少疲勞裂紋產(chǎn)生的危險，從而增加使用壽命,。


4. 修復(fù)零件,、減少損失
目前，金屬3D打印技術(shù)在修復(fù)成型方面所表現(xiàn)出的潛力高于生產(chǎn)制造方面,。以高性能整體渦輪葉盤零件為例,，當某一葉片受損，整個渦輪葉盤將報廢,，直接經(jīng)濟損失高達百萬元,。而使用3D打印技術(shù)在受損部位進行激光立體成型，就可以恢復(fù)零件形狀,，且性能滿足使用要求,，甚至是高于基材的使用性能。

我國發(fā)展差距淺析
目前我國從政府、科研,、企業(yè)層面都對3D打印應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域給予高度重視,，也取得了部分成就。但與國外發(fā)達國家相比,，目前國內(nèi)行業(yè)發(fā)展主要存在以下幾方面的問題：

1. 技術(shù)差距
技術(shù)上的差距如復(fù)雜薄壁精密零件結(jié)構(gòu)-性能一體化制造技術(shù),，航空航天發(fā)動機葉片、渦輪等復(fù)雜精密零件的成形技術(shù)等,，一定程度上制約了航空航天裝備技術(shù)水平的提高,。

目前國內(nèi)的3D打印企業(yè)普遍缺乏核心技術(shù)、生產(chǎn)效率低,、材料種類缺失,，因此很難實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。我國3D打印在軍工應(yīng)用的領(lǐng)域發(fā)展最為先進,，如部分復(fù)雜合金零部件成形等,，但產(chǎn)業(yè)化進程緩慢。

2. 材料差距
材料上的差距主要體現(xiàn)在國內(nèi)材料種類不全,、質(zhì)量良莠不齊,。3D打印金屬粉末質(zhì)量與國外存在一定差距，高分子材料（PEEK和PAEK等）和陶瓷材料種類缺失,、體系不全,。目前國內(nèi)多數(shù)的廠家可以生產(chǎn)幾十微米到幾百微米的金屬顆粒，但這種顆粒國內(nèi)生產(chǎn)的品質(zhì)與國外仍有較大差距,。

在“中國制造2025”戰(zhàn)略規(guī)劃中,，前沿材料中就包含3D打印材料，研究方向主要集中在金屬球形粉末成形與制備技術(shù),；突破高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)電極制粉,、氣霧化制粉裝備；開發(fā)空心粉率低,、顆粒形狀規(guī)則、粒度均勻,、雜質(zhì)含量低的高品質(zhì)鈦合金,、高溫合金、鋁合金等金屬粉末,；研究氧化鋁,、氧化鋯、碳化硅等陶瓷粉末,、片材制備方法,；建立生物3D打印體系；開發(fā)“3D打印友好型”生物墨水。


3. 設(shè)備差距
目前國外的3D打印設(shè)備無論是桌面級還是工業(yè)級的價格相對都比較高,；國內(nèi)的一些設(shè)備雖然價格較低但質(zhì)量難以保證,。同時設(shè)備的精度以及生產(chǎn)效率等方面還需要進一步的優(yōu)化，這也是阻礙產(chǎn)業(yè)化的主要問題,。

我國雖已有一些企業(yè)能自主制造3D打印設(shè)備,，但企業(yè)規(guī)模普遍較小，研發(fā)力量不足,。在加工流程穩(wěn)定性,、工件支撐材料生成和處理、部分特種材料的制備技術(shù)等環(huán)節(jié),，存在較大缺陷,，難以完全滿足產(chǎn)品制造的需求。

而占據(jù)3D打印產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)地位的美國3Dsystems,、Stratasys等公司,，每年都投入千萬級美元研發(fā)新技術(shù)，研發(fā)投入占銷售收入的10％左右,。兩家公司不僅研發(fā)設(shè)備,、材料和軟件，還通過簽約開發(fā),、直接購買等方式獲得大量來自企業(yè)外部的相關(guān)細分技術(shù),、專利，掌握大量關(guān)鍵核心技術(shù),。

此外,，3D打印的核心是數(shù)字化驅(qū)動。目前,，我國3D打印的數(shù)字化程度還不高,，軟件高度依賴國外。未來發(fā)展中,，應(yīng)重視3D打印流程中相關(guān)的軟件設(shè)計,、數(shù)控能力等軟實力。

圖片來源：深藍航天

4. 宏觀差距
3D打印產(chǎn)業(yè)上游包括材料技術(shù),、控制技術(shù),、光機電技術(shù)、軟件技術(shù),，中游是立足于信息技術(shù)的數(shù)字化平臺的3D打印解決方案,，下游涉及國防科工、航空航天等行業(yè),，其發(fā)展將深刻影響先進制造業(yè),、工業(yè)設(shè)計業(yè),、生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)、文化創(chuàng)意業(yè),、電子商務(wù)業(yè)及制造業(yè)信息化工程,。

由于3D打印行業(yè)技術(shù)門檻較高，上中下游所用核心技術(shù)涉及材料學(xué),、計算機學(xué),、機械設(shè)計等多學(xué)科多領(lǐng)域，屬于技術(shù)綜合性較強的領(lǐng)域,，需要我國科研,、企業(yè)等多方協(xié)力配合提升我國3D打印綜合實力。同時,，在我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級中,，3D打印逐步代替了很多傳統(tǒng)工藝，發(fā)揮的作用逐步增大,，其造成的差距也會在下游終端應(yīng)用產(chǎn)品的性能和價格方面被放大,。