一文讀懂航空制造為什么要用3D打印

來源：升華三維

▲航空航天零件的3D草圖

多年來,，航空航天一直被證明是全球3D打印增長最快的應(yīng)用之一,。多品種,、小批量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等是航空航天獨(dú)有的產(chǎn)品特點(diǎn),，輕量化,、低成本、快速研制的迫切需求與3D打印成型自由度高且快等特點(diǎn)高度契合,。一些飛機(jī)制造商甚至可能利用簡短的停機(jī)時間來改造他們的飛機(jī),，建立數(shù)字庫存來維護(hù)老化的飛機(jī)，并使用先進(jìn)的制造技術(shù)來制造下一代飛機(jī),。像我國的國產(chǎn)C919大飛機(jī)就是通過應(yīng)用大量的3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)和試產(chǎn),。

▲國產(chǎn)C919大飛機(jī)

下面讓我們來深入了解航空業(yè)為何使用3D打印，看看在飛機(jī)的生產(chǎn)中是如何利用這些共性優(yōu)勢的：
零件整合

在零件組裝中最薄弱的點(diǎn)就是組裝的地方,。就飛機(jī)而言,，這樣的弱點(diǎn)可能會成為嚴(yán)重故障點(diǎn)，危及人類生命,。
通過將零件的多個組件整合到單個3D打印構(gòu)建中,，裝配點(diǎn)的數(shù)量必然會減少。3D打印可能實(shí)現(xiàn)的獨(dú)特幾何形狀可以將通常有幾十個或數(shù)百個零件的零件減少到幾個——或一個零件,。由于無需焊接,、鉚接或其他緊固件來將零件固定在一起，不僅減少了裝配,，而且還減少了潛在的故障點(diǎn),。

整合的部件越多，節(jié)省的成本就越大,。如果某部分零件在組裝后被固定,，這可能是一個整合設(shè)計(jì)的機(jī)會。在增材制造中,，復(fù)雜性通常是免費(fèi)的,，最成功的零件盡可能多地利用這一公理,。零件整合好處主要包括以下幾點(diǎn)：

減少裝配：這包括減少勞動力，庫存,，夾具/工具以及專用于最終產(chǎn)品的制造占地面積,。裝配檢查也減少了，極大地減少了裝配錯誤的機(jī)會,。

減少故障點(diǎn)：長期降低維護(hù)成本,，并且可以減少更換部件的庫存。如果需要,，可以快速且經(jīng)濟(jì)高效地進(jìn)行小批量更換,。

降低運(yùn)營成本：由于增材制造，通過設(shè)計(jì)自由度優(yōu)化零件,，提高了產(chǎn)品性能,，實(shí)現(xiàn)了零件輕量化和更好的熱性能等增強(qiáng)功能。

輕量化

對于用于飛行的設(shè)備來說,，“克克是黃金”,，每減重一公斤，就能節(jié)約幾十萬元的費(fèi)用,。重量更輕的部件意味著更少的燃料,，不僅可以減少飛行的碳排放，還可以降低飛行成本,。

▲輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3D打印在傳統(tǒng)制造材料的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新,，在相同結(jié)構(gòu)件中，利用性能更優(yōu)異的3D打印材料配方,，創(chuàng)造出更輕的最終零件,。結(jié)合零件整合、3D打印拓?fù)鋬?yōu)化,、晶格結(jié)構(gòu)等輕量化結(jié)構(gòu),，就特別有利于飛行器的輕量化設(shè)計(jì)，使它的功能密度更高,。

提升設(shè)計(jì)自由度

許多從事增材制造工作者都喜歡宣稱該技術(shù)提供了極大的“設(shè)計(jì)自由度”,，因?yàn)槭状慰梢詫?shí)現(xiàn)其他制造工藝無法制造的復(fù)雜幾何形狀。

過去設(shè)計(jì)非常復(fù)雜的構(gòu)件很難制造或者成本非常高,，甚至根本無法制造,。利用增材制造工藝，可以用相對簡單的方式生產(chǎn)高度復(fù)雜的二維或三維金屬部件,，這是整體形成由實(shí)心和網(wǎng)格部分組成的結(jié)構(gòu)部件的可行方式,。

拓?fù)鋬?yōu)化和生成式設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)方法，有效地助力了3D打印開發(fā)出以前從未想過的新形狀,。這些復(fù)雜的晶格設(shè)計(jì)不僅通過只在必要的地方加入材料來減輕重量,，而且通常比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)更堅(jiān)固,。雖然某些限制仍然存在，并且可能因3D打印技術(shù)和使用的材料而異,，但這些限制在許多方面都比傳統(tǒng)的減材制造工藝中看到的要少得多,。可以設(shè)計(jì)新的內(nèi)部和外部飛機(jī)部件來替換陳舊的原始部件,，更靈活設(shè)計(jì)技巧來增加極端功能,。

快速原型迭代

最初使用3D打印的命名就是：快速原型制作。從草圖創(chuàng)意到CAD設(shè)計(jì)再到第一個原型——然后是第二個,、第三個等等——3D打印加快了新產(chǎn)品的上市時間。用傳統(tǒng)工藝制造渦輪葉片,，期間需要開模具,，從設(shè)計(jì)到制造大約需要半年時間，而使用3D打印技術(shù),，可以在數(shù)天或數(shù)周內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速周轉(zhuǎn)和迭代,。

小批量生產(chǎn)

在航空航天產(chǎn)業(yè)中，如按生產(chǎn)總量計(jì)算,，與汽車或電器制造相比,，生產(chǎn)的飛機(jī)數(shù)量相對較少。

高價值,、小批量生產(chǎn)非常適合3D打印,。許多傳統(tǒng)制造工藝需要制造昂貴的工具和模具，從而為大規(guī)模生產(chǎn)創(chuàng)造規(guī)模經(jīng)濟(jì),，而增材制造則不需要模具,。一次可以制作一件或幾件——包括在同一構(gòu)建板上進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)——無需額外的成型或工具成本。

在傳統(tǒng)技術(shù)更具成本效益之前,，增材制造與傳統(tǒng)制造的拐點(diǎn)通常需要制造成百上千個零件,，雖然這可能最終將每個注塑成型零件的成本降低到幾分，但在那個交叉點(diǎn)之前,，3D打印會更劃算,。尤其是在使用高價值應(yīng)用材料時，節(jié)省材料勢在必行,。

數(shù)字庫存

當(dāng)一架飛機(jī)接近其使用壽命的盡頭時,，通常可以通過更換某些部件來挽救它以使其繼續(xù)飛行,。常規(guī)方式是通過使用實(shí)體倉庫來完成的,，這些備件在需要時存放在貨架上。在大多數(shù)情況下,，這些備件是與原始批量生產(chǎn)的OEM零件同時制造的,，并留待磨損零件的更換需求使用,。但是，如果這種需求永遠(yuǎn)不會出現(xiàn),，那么它們不僅會浪費(fèi)生產(chǎn)它們的時間和成本,，還會浪費(fèi)它們在貨架上存放多年的時間。更糟糕的是,，如果需求來了,，但備件卻缺貨，尤其是那些永遠(yuǎn)停產(chǎn)的——缺少一小部分可能會使飛機(jī)停飛,。

數(shù)字庫存方法不是將商品物理地放在貨架上,，而是存儲可以3D打印的設(shè)計(jì)文件。在可任何地方和時間,，使用適當(dāng)?shù)?D打印技術(shù)制造那些需要替換的零件,，并且同樣不需要事先生產(chǎn)昂貴的模具或工具。而不是等待OEM延遲,，從而減少了實(shí)體庫存的壓力,，同時還能延長飛行壽命，而不至于因?yàn)槟硞�小部件導(dǎo)致無法再飛行,。

— 借助3D打印飛得更高,、更遠(yuǎn) —

飛機(jī)的生產(chǎn)，從原型到備件,，越來越多地受益于供應(yīng)鏈中3D打印的使用,。分散生產(chǎn)、新的設(shè)計(jì)可能性以及時間,、材料和成本的減少正在為飛機(jī)保持高飛提供新的途徑,。

增值制造工藝替代傳統(tǒng)制造，能夠節(jié)省模具成本,，還能在多個方面實(shí)現(xiàn)降本增效,。3D打印材料是3D打印技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，金屬,、陶瓷,、復(fù)合材料是3D打印領(lǐng)域的新興賽道。據(jù)Wohlers Associates Inc發(fā)布行業(yè)統(tǒng)計(jì)顯示,，在3D打印下游應(yīng)用行業(yè),，汽車工業(yè)、消費(fèi)電子以及航空航天占比最大,，金屬,、陶瓷、復(fù)合材料將成為3D打印材料的“引爆點(diǎn)”,。

在“中國制造2025”規(guī)劃背景下,，3D打印成為我國推動智能制造的主線,，航空航天是增材制造重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。目前,，在國內(nèi)外航空航天領(lǐng)域,，高馬赫數(shù)、高機(jī)動性飛行器層出不窮并成為下一代航空航天飛行器的主要發(fā)展趨勢之一,，它的設(shè)計(jì)需求對設(shè)計(jì)和制造工藝提出了更高的要求,，其零部件大多數(shù)都具有尺寸大、異型復(fù)雜,、結(jié)構(gòu)多的特點(diǎn),，3D打印技術(shù)在大尺寸零件一體化制造、異型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造,、批量定制結(jié)構(gòu)件制造方面具有巨大的優(yōu)勢,。

升華三維是目前國內(nèi)為數(shù)不多能提供金屬/陶瓷材料開發(fā)制備、金屬/陶瓷3D打印機(jī)研發(fā)生產(chǎn),、切片軟件開發(fā)到3D打印工藝、脫脂及燒結(jié)一整套金屬/陶瓷間接3D打印工藝鏈供應(yīng)商,。目前已與航空航天應(yīng)用領(lǐng)域多個科研機(jī)構(gòu),、高校和企業(yè)合作，致力于提供高性能,、輕量化,、精細(xì)微結(jié)構(gòu)的陶瓷/金屬間接3D打印整體解決方案。