3D打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用淺析

唐雁宇

（北京市海淀實(shí)驗(yàn)中學(xué)，北京 100089）

3D打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用淺析

唐雁宇

（北京市海淀實(shí)驗(yàn)中學(xué)，北京 100089）

3D打印技術(shù)被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命”的技術(shù)核心。本文針對(duì)3D打印技術(shù)在航空航天制造領(lǐng)域所發(fā)展出的不同工藝特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)3D打印技術(shù)在國(guó)內(nèi)外航空航天制造領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了介紹。

3D打印；航空航天；制造技術(shù)

0 引言

3D打印技術(shù)自問世之初，便廣受世界各行各業(yè)的生產(chǎn)制造技術(shù)領(lǐng)域追捧，經(jīng)過30多年的發(fā)展，如今已成為推動(dòng)世界先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展的源動(dòng)力之一，被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命”的核心技術(shù)。美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（American Society for Testing and Materials, ASTM）在廣泛、深入研究的基礎(chǔ)上，對(duì)3D打印技術(shù)進(jìn)行了規(guī)范化的定義，指出該技術(shù)也即是增材制造技術(shù)(Additive Manufacturing，AM)。

航空航天制造業(yè)是先進(jìn)制造技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展的代表，3D打印技術(shù)在航空航天制造技術(shù)中表現(xiàn)出了蓬勃的生命力，在國(guó)內(nèi)外的航空航天制造中得到了快速發(fā)展。

1 航空航天制造中的3D打印技術(shù)工藝特征

隨著3D打印技術(shù)的興起和發(fā)展，各國(guó)紛紛投入大量的人力物力發(fā)展3D打印技術(shù)，目前，航空航天制造領(lǐng)域的研究主要包括兩個(gè)方面：其一是零件模型及驗(yàn)證部件的快速制造，主要針對(duì)非金屬材料類，采用的工藝方法包括熔融沉積法、立體光刻法、分層實(shí)體制造和3D印刷法等；其二是針對(duì)金屬材料的零部件、大型整體結(jié)構(gòu)的制造，采用的工藝方法包括直接金屬燒結(jié)技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)、激光快速成型以及電子束熔化等。

不同成型工藝具有不同的特征，如：立體光刻法成型精度高、成型實(shí)物強(qiáng)度和硬度高，可以彩色成型，但成型后表面粗糙；熔融沉積法成型速度快，成本較低，然而精度不高；選擇性激光燒結(jié)成型工藝簡(jiǎn)單，柔性度高，材料適用面廣（金屬、陶瓷以及塑料），精度高；分層實(shí)體制造法的模型支撐性好，成本低，效率高。然而，不管哪種工藝，基于 “增加、堆積”方式發(fā)展起來(lái)的3D打印技術(shù)一般均具有：快速性、低成本、材料適用范圍寬、高柔度性、高集成化等幾個(gè)工藝特征，與傳統(tǒng)技術(shù)相比顯示了極大的優(yōu)勢(shì)。

2 3D打印技術(shù)在國(guó)外航空航天制造領(lǐng)域的發(fā)展

航空航天尖端制造領(lǐng)域是3D打印技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。1993 年以來(lái)，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛制定了發(fā)展和推動(dòng)3D打印技術(shù)的國(guó)家戰(zhàn)略和規(guī)劃，3D打印技術(shù)已受到政府、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的廣泛關(guān)注。美國(guó)在3D打印領(lǐng)域研究較早，一些著名高校和研究機(jī)構(gòu)，如美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、賓夕法尼亞大學(xué)、AeroMet公司等，很早就投入到3D打印技術(shù)的研發(fā)中。2012年，美國(guó)政府宣布將投資10億美元用于美國(guó)制造體系的改革，美國(guó)國(guó)家增材制造創(chuàng)新聯(lián)盟2014年資助的15個(gè)項(xiàng)目中60%與航空航天直接相關(guān)。英國(guó)政府自2011年開始持續(xù)增加對(duì)3D打印技術(shù)的研發(fā)經(jīng)費(fèi)，2014年資助考文垂大學(xué)6000萬(wàn)英鎊，建設(shè)開發(fā)航空部件的國(guó)家增材制造中心；德國(guó)、法國(guó)、瑞士等國(guó)也投入了大量資金，通過優(yōu)惠政策等推進(jìn)國(guó)家在3D打印技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。

國(guó)外3D打印技術(shù)領(lǐng)域在眾多科研機(jī)構(gòu)、科技公司及政府支持下，在航空航天制造領(lǐng)域的工程應(yīng)用取得了長(zhǎng)足發(fā)展。（1）在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用。美國(guó)的 AeroMet公司完成了激光快速成形鈦合金機(jī)翼結(jié)構(gòu)件的地面性能考核試驗(yàn)；美國(guó)Optomec Design 公司采用3D打印技術(shù)進(jìn)行了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零件的磨損修復(fù)，取得了很好的效果；波音公司利用3D打印技術(shù)制造了大約300種不同的飛機(jī)零部件。（2）在航天制造領(lǐng)域的應(yīng)用。美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室與紅眼公司合作，打印出了氣象、電離層和氣候星座觀測(cè)系統(tǒng)-2（COSMIC-2）衛(wèi)星的功能天線陣結(jié)構(gòu)。美國(guó)航空噴氣-洛克達(dá)因公司與美國(guó)格倫研究中心及馬歇爾航天飛行中心，近兩年針對(duì)通過3D打印技術(shù)生產(chǎn)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴在3316℃高溫下進(jìn)行了一系列點(diǎn)火試驗(yàn)。

歐洲航天局和歐盟設(shè)立了邁向零廢棄物和高科技金屬產(chǎn)品的高效生產(chǎn)的增材制造（AMAZE）項(xiàng)目，旨在將第一臺(tái)3D金屬打印機(jī)運(yùn)至國(guó)際空間站。

3 3D打印技術(shù)在國(guó)內(nèi)航空航天制造領(lǐng)域的發(fā)展

國(guó)內(nèi)3D打印技術(shù)的發(fā)展起步于20世紀(jì)90年代，多所高校和研究機(jī)構(gòu)（如清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、中航重機(jī)激光、北京殷華等）持續(xù)關(guān)注并開展了3D打印技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用研究。2012年，中國(guó)3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立，同年，工信部聯(lián)合中國(guó)工程院制定了我國(guó)3D打印技術(shù)的技術(shù)路線圖與中長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略；2015年，工信部制定并發(fā)布了《國(guó)家增材制造發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃》，該計(jì)劃中指出了中國(guó)發(fā)展3D打印事業(yè)的主要目標(biāo)：到2017年初步建立增材制造技術(shù)創(chuàng)新體系，培育5至10家年產(chǎn)值超過5億元、具有較強(qiáng)研發(fā)和應(yīng)用能力的增材制造企業(yè)，并在全國(guó)形成一批研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化示范基地等。本次規(guī)劃的重點(diǎn)發(fā)展方向?yàn)槲妩c(diǎn)：第一是金屬材料增材制造，第二是非金屬材料增材制造，第三是醫(yī)用材料增材制造，第四是設(shè)計(jì)及工藝軟件，第五增材制造裝備關(guān)鍵零部件。

在國(guó)家政策的大力扶持下，我國(guó)的3D打印技術(shù)在航空航天先進(jìn)制造領(lǐng)域取得了一系列成績(jī)。中航工業(yè)一飛院在北京航空航天大學(xué)的協(xié)助下，將全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)與最新的3D打印技術(shù)相結(jié)合，打印出了多個(gè)滿足強(qiáng)度、剛度和使用功能要求的飛機(jī)部件。成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司在針對(duì)機(jī)翼渦輪葉片修復(fù)過程中使用了3D打印技術(shù)。北京航空航天大學(xué)王華明教授團(tuán)隊(duì)采用 3D 打印技術(shù)制造的某戰(zhàn)機(jī)鈦合金主承力構(gòu)件加強(qiáng)框投影面積達(dá)5.02m2，本次制造裝機(jī)評(píng)審順利通過，標(biāo)志著我國(guó)成為目前世界上唯一掌握飛機(jī)鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)并實(shí)現(xiàn)裝機(jī)應(yīng)用的國(guó)家。

4 結(jié)論

3D打印技術(shù)作為一種在世界范圍內(nèi)廣受關(guān)注的新興技術(shù)，推動(dòng)了航空航天制造等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。

[1]劉銘， 張坤，樊振中. 3D打印技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展[J]. 裝備制造技術(shù)，2013(12):232～235.

[2]吳復(fù)堯，劉黎明，許沂，等. 3D打印技術(shù)在國(guó)外航空航天領(lǐng)域的發(fā)展動(dòng)態(tài)[J]. 飛航導(dǎo)彈， 2013(12):10～15.

[3] 王春凈，夏成寶. 3D打印技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的發(fā)展初探[J].機(jī)械制造，2014, 52(10):51～52.

F416.6；F416.5

A

1671-0711（2016）11（下）-0123-02