淺析3D打印技術(shù)在航空制造中的應(yīng)用

王大成 朱云陽

（江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212134）

0 引言

3D打印技術(shù)的飛速發(fā)展，使各個生產(chǎn)領(lǐng)域的生產(chǎn)效率有了明顯的提升，同時為生產(chǎn)效益的增加提供了可靠的技術(shù)支持，對于經(jīng)濟(jì)社會的穩(wěn)步發(fā)展具有積極的作用。在不同的方面進(jìn)行應(yīng)用，3D打印技術(shù)能夠更好地實現(xiàn)發(fā)展的目標(biāo)，為國家各領(lǐng)域的技術(shù)水平提供有效的支持和保障[1]。應(yīng)該在具體的實踐中，正確地看待3D打印技術(shù)，明確其在航空制造領(lǐng)域做出的貢獻(xiàn)，并且結(jié)合現(xiàn)代航空制造業(yè)的發(fā)展要求，奠定相應(yīng)的基礎(chǔ)，為該技術(shù)的長遠(yuǎn)發(fā)展清除障礙。

1 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)是快速成型技術(shù)中的關(guān)鍵組成部分，也被稱為增材制造，是一種將先進(jìn)技術(shù)融為一體的加工手段。該項技術(shù)涉及的主流成型技術(shù)包括光固化法、熔融沉積法等。3D打印技術(shù)思想源于19世紀(jì)末層疊成型理論，經(jīng)過了不斷的發(fā)展和推廣，在20世紀(jì)80年代伴隨著計算機科學(xué)和激光技術(shù)等受到了廣泛的關(guān)注。該技術(shù)相對于傳統(tǒng)的制造工藝來說，表現(xiàn)出十分明顯的優(yōu)勢，通過制造出復(fù)雜形態(tài)的產(chǎn)品，使得資源浪費的問題得到有效的規(guī)避。3D打印技術(shù)還能將設(shè)計進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，對設(shè)計的正確性和造型的合理程度等加以檢驗，降低產(chǎn)品開發(fā)的風(fēng)險度。當(dāng)前，3D打印技術(shù)作為快速成形技術(shù)的優(yōu)選，在各個領(lǐng)域得以普及并推廣，人們開始關(guān)注到這一技術(shù)的發(fā)展?jié)摿蛯嶋H的應(yīng)用空間。該項技術(shù)一般包括固化成形技術(shù)、疊層實體制造技術(shù)等。在航空制造領(lǐng)域，高性能金屬構(gòu)件激光成形技術(shù)成了最前沿的代表。該技術(shù)在實際運用時，重點是將合金粉末視為主要原料，借助于激光熔化逐層堆積的方式，在零件數(shù)模一步完成高性能、復(fù)雜化的構(gòu)件成形目標(biāo)[2]。在國內(nèi)，航空制造領(lǐng)域?qū)?D打印技術(shù)的運用已經(jīng)位于世界前列，很多型號的飛機均使用了3D打印部件，相關(guān)的技術(shù)現(xiàn)已處于世界領(lǐng)先的水平。

2 3D打印技術(shù)的基本特點

3D打印技術(shù)具有自身的特點，在實際運用的過程中應(yīng)該結(jié)合其基本的特征進(jìn)行分析，體現(xiàn)了3D打印技術(shù)的實際優(yōu)勢，使其更好地發(fā)揮應(yīng)用價值。

2.1 快速制造

在航空領(lǐng)域運用到的相關(guān)技術(shù)手段，應(yīng)該體現(xiàn)出便捷性和快速性等多種效果，如果無法達(dá)到理想的要求，將會影響到實際的應(yīng)用成效，因此需要結(jié)合技術(shù)的特點進(jìn)行合理的分析，對具體成果進(jìn)行明確。3D打印技術(shù)能夠?qū)?fù)雜的零件加工制造出來，通過先進(jìn)的技術(shù)手段，擺脫了必須使用模具的限制，及時地將計算機設(shè)計圖紙合理地轉(zhuǎn)化為實體零件。與傳統(tǒng)的制造工藝相比，該項技術(shù)同時具有先進(jìn)性和科學(xué)性的特點，可以確保復(fù)雜零部件的制造流程合理地縮短，并且使產(chǎn)品實際的研發(fā)制造周期得到有效的控制[3]。

2.2 高效節(jié)省

3D打印技術(shù)在實際運用的時候，材料的利用率得到了明顯的提升，在打印成型的階段，可以保證材料更充分地使用。打印之后的產(chǎn)品，僅需要經(jīng)過簡單的處理就可以投入使用，使用率十分理想，保證利用率高達(dá)60%以上，甚至可以達(dá)到90%以上。然而對于傳統(tǒng)的制造方法來說，材料的實際使用率較低，特別是航空制造階段相對復(fù)雜的零部件加工，通常不會高于10%，甚至只能達(dá)到2%～5%，使制造成本明顯提升。

2.3 高度優(yōu)化

對于航空制造領(lǐng)域來說，科學(xué)地使用3D打印技術(shù)，能夠在保證其性能的前提下，將零部件的結(jié)構(gòu)合理地優(yōu)化，適當(dāng)?shù)販p輕零部件質(zhì)量。相較于傳統(tǒng)的拼接構(gòu)件，該技術(shù)的運用能夠?qū)崿F(xiàn)部件整體制造，不需要涉及焊接以及鉚接等多種組裝工藝就可以對復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，有效地減少部件的質(zhì)量。經(jīng)過對結(jié)構(gòu)零部件的優(yōu)化處理，使零部件的應(yīng)力分布相對合理，并且使疲勞裂紋出現(xiàn)的危險性得到有效降低，提高了零部件實際的結(jié)構(gòu)強度，增加了使用壽命，同時保證其完整性和可靠性[4]。

3 3D打印技術(shù)在航空制造中的技術(shù)手段

3D打印技術(shù)重點是在選定了坐標(biāo)軸的方向后，需要將需要打印產(chǎn)品的三維空間模型合理地劃分出不同的剖面，在特定的時間段內(nèi)，將剖面及時打印出來，通過應(yīng)用產(chǎn)品三維模型，可以合理地設(shè)定打印尺寸，由此得到相對理想的、等比例的產(chǎn)品實體模型。

3.1 光固化立體成形技術(shù)

該項技術(shù)誕生的時間較早，在實際運用的時候，更傾向于使用液態(tài)光敏樹脂的材料，結(jié)合工作臺的支撐效果，完成激光束的合理照射，確保產(chǎn)品能夠及時地固化，由此獲取更為理想的產(chǎn)品[5]。

3.2 分層實體制造技術(shù)

在具體使用的時候，一般會采用性能相對可靠的材料，將預(yù)先準(zhǔn)備好的熱熔膠箔材運送至工作臺上，借助于先進(jìn)的計算機技術(shù)，及時獲取產(chǎn)品的剖面，通過激光切割系統(tǒng)照射的CO2激光束，確定箔材實際的尺寸輪廓，完成相對合理的切割，對切割過程中可能出現(xiàn)的多余碎片加以處理，最終獲得更為理想的、符合實際需要的產(chǎn)品。

3.3 選擇性激光燒結(jié)工藝

該項技術(shù)在具體運用的時候，應(yīng)該結(jié)合使用的對象進(jìn)行詳細(xì)的分析。在實際使用的時候，一般使用CO2激光器，通過對粉末材料進(jìn)行處理，實現(xiàn)選擇性的燒結(jié)，確保不同的離散點更加明確且合理。將這類離散點按照科學(xué)的方式進(jìn)行堆積，最終得到三維實體模型，這樣就可以打造出理想化的產(chǎn)品。該技術(shù)屬于高效的打印成形技術(shù)[6]。

3.4 3D打印技術(shù)在航空制造中的應(yīng)用實踐

3D打印技術(shù)在航空領(lǐng)域中的優(yōu)勢十分顯著，但是在實際的生產(chǎn)中還存在諸多的問題。3D打印產(chǎn)品的質(zhì)量還有待提升，應(yīng)該更好地滿足當(dāng)前批量生產(chǎn)的實際需要；另外，3D打印金屬單位的時間較長，在打印的重量上也存在明顯的限制，需要更好地適應(yīng)高效率制造標(biāo)準(zhǔn)。隨著計算機技術(shù)和新型材料的穩(wěn)步發(fā)展，上述提到的相關(guān)問題可以得到逐步解決，同時也應(yīng)該制定出更為理想的發(fā)展規(guī)劃。3D打印在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用及發(fā)展備受關(guān)注，前景十分廣闊。

3.4.1 飛機機翼的制造方面

很多的現(xiàn)役飛機機翼大多是通過構(gòu)件鉚接以及焊接等方式完成有效的拼接，在重量以及強度等多個技術(shù)指標(biāo)上有待得到更好的提升。整體式機翼能夠及時突破傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)機翼的限制。波音及空客這類大型的航空制造企業(yè)對3D打印技術(shù)給予了高度的重視，提供了大量的資金支持，使其合理應(yīng)用在整體式機翼制造中，取得了相對顯著的進(jìn)展。在未來的發(fā)展中，3D打印技術(shù)將會在機翼制造中彰顯更為突出的利用價值。

3.4.2 航空發(fā)動機零部件制造方面

根據(jù)相關(guān)的報道和研究，通用電氣以及羅羅公司都對選區(qū)激光熔化和電子束選區(qū)熔化技術(shù)等給予了高度的關(guān)注，通過一系列的測試以及驗證過程，證明了相關(guān)技術(shù)打印的零部件具有實用性。通用電氣公司將相關(guān)技術(shù)合理地應(yīng)用至下一代Leap航空引擎噴油嘴的批量制造領(lǐng)域，使得相關(guān)技術(shù)的具體應(yīng)用優(yōu)勢體現(xiàn)出來。關(guān)于其他的零部件，國內(nèi)外對運用各種技術(shù)制造的3D打印零件進(jìn)行有效的測試和分析，目的是對其實際的應(yīng)用成效進(jìn)行科學(xué)的總結(jié)和判斷[7]。

3.4.3 無人飛機制造方面

現(xiàn)階段，無人飛機已經(jīng)備受關(guān)注，正在逐步地向小型化和輕型化的方向轉(zhuǎn)變，因而需要在實際制造的過程中，重點分析大荷載以及個性化的定制標(biāo)準(zhǔn)。無人機結(jié)構(gòu)應(yīng)該逐步向低重量、高復(fù)雜化的方向前進(jìn)，但是由于受到傳統(tǒng)制造工藝的限制，這一要求始終無法滿足，更難以滿足未來無人機市場的發(fā)展需要，因此需要將關(guān)注的重心放在3D打印技術(shù)上。當(dāng)前，3D打印技術(shù)已經(jīng)成為無人機制造領(lǐng)域中的重要推動力。在2011年首架打印無人機“SULSA”誕生之后，3D打印技術(shù)就備受矚目，在無人機制造領(lǐng)域彰顯了自身的價值，成了萬眾關(guān)注的焦點。相信在未來的發(fā)展規(guī)劃中，3D打印技術(shù)還將在無人機制造領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。

3.4.4 航空部件修復(fù)再造方面

3D打印技術(shù)在航空零部件的修復(fù)再造領(lǐng)域中頗受關(guān)注，國內(nèi)外已經(jīng)針對該技術(shù)的成功應(yīng)用案例進(jìn)行了報道。由于燃?xì)鉁u輪航空發(fā)動機整體渦輪盤修復(fù)成功的案例受到了廣泛關(guān)注，因此在航空領(lǐng)域中，一旦涉及部件修復(fù)再造的問題，均會優(yōu)先想到3D打印技術(shù)。渦輪盤上的某處一旦受損，將會影響到整個盤，使其處于報廢的狀態(tài)，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失大，甚至能夠達(dá)到上百萬。然而基于3D打印技術(shù)獨特的優(yōu)勢，通過合理地運用該項手段，可以使激光成形技術(shù)的優(yōu)勢之處顯現(xiàn)出來，并確保部件能夠及時地恢復(fù)至原有的狀態(tài)，性能符合基本的使用要求和具體標(biāo)準(zhǔn)，甚至明顯高于要求的使用性能。正是由于該技術(shù)的此種優(yōu)勢，提高了航空零部件的壽命，對維修成本的控制也起到了一定的作用。

4 3D打印技術(shù)在航空制造中的應(yīng)用建議

3D打印技術(shù)在航空制造中彰顯了實際的利用價值，但是也存在一些弊端和問題，需要正視其不足之處，按照具體的應(yīng)用原則，展開合理的判斷，由此提出以下建議。

4.1 合理應(yīng)用“產(chǎn)研結(jié)合”的方案

在3D打印技術(shù)充分彰顯出自身的應(yīng)用優(yōu)勢時，還需要注重合理化的推廣方案，確保該項技術(shù)的應(yīng)用價值充分地體現(xiàn)出來，將相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈不斷延伸。借助于產(chǎn)研結(jié)合的方式，使得3D打印技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域明顯拓寬，將相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)鏈適當(dāng)?shù)匮由觳?yōu)化，促使產(chǎn)業(yè)化的程度得以提高。通過將3D打印的“增材”及傳統(tǒng)工藝的“減材”相互結(jié)合，構(gòu)建出相對合理的復(fù)合制造體系，更好地滿足航空制造領(lǐng)域的實際發(fā)展需要?？焖俪尚渭夹g(shù)方法如圖1所示。

4.2 穩(wěn)步提高效率及精度

為了使3D打印技術(shù)的優(yōu)勢更加明顯，在實際運用的過程中，應(yīng)該積極地重視相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用速度、應(yīng)用效率、應(yīng)用精度。通過對3D打印技術(shù)的進(jìn)一步完善，使得3D打印機體積呈現(xiàn)小型化、桌面化和成本低廉化的趨勢。需要在具體的實踐中，積極地開發(fā)多樣化的3D打印材料，尤其是成型金屬材料，以便于為制造業(yè)的發(fā)展提供便利和支持。在航空領(lǐng)域相關(guān)的技術(shù)，應(yīng)該體現(xiàn)出具體的利用價值，更好地為航空領(lǐng)域的長遠(yuǎn)發(fā)展做出積極的貢獻(xiàn)。結(jié)合目前的實際情況來看，3D打印技術(shù)的完善是一種必然的趨勢，能夠更好地滿足當(dāng)前相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及要求，為制造行業(yè)的長遠(yuǎn)進(jìn)步提供有力的技術(shù)支持，使既定的目標(biāo)順利地實現(xiàn)。

4.3 轉(zhuǎn)變實際的商業(yè)模式

商業(yè)模式的合理化能夠推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展，因此需要結(jié)合航空領(lǐng)域的實際發(fā)展情況，選擇合適的商業(yè)模式。經(jīng)過資本化的運作過程，使得擁有核心技術(shù)的3D打印企業(yè)凝聚到一起，呈現(xiàn)出1種并購模式。將具備核心制造能力且具有較低成本的制造企業(yè)作為關(guān)注的焦點，使其可以真正發(fā)揮自身的作用，為航空制造領(lǐng)域做出積極的貢獻(xiàn)，打造出富有特色的、生命力頑強的價值生產(chǎn)鏈。在科學(xué)地運用相關(guān)的手段時，確保相應(yīng)的商業(yè)模式得以優(yōu)化，呈現(xiàn)出更為理想的運營方案，使航空制造領(lǐng)域的發(fā)展更上一層樓。

圖1 快速成形技術(shù)方法

4.4 注重產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟協(xié)會的構(gòu)建

通過建立3D打印產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟行業(yè)協(xié)會，能夠形成1條相對完整且可靠的產(chǎn)業(yè)鏈，對于產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展，能夠起到相對理想的推動作用，確保協(xié)同發(fā)展的成效更加顯著。對工業(yè)設(shè)計企業(yè)進(jìn)行合理科學(xué)的指導(dǎo)，借助于3D數(shù)字化技術(shù)提供商和材料研發(fā)企業(yè)的共同作用，使得產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的建立更加合理，與當(dāng)前實際的發(fā)展規(guī)劃相契合，推動3D打印產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展，實現(xiàn)可持續(xù)前進(jìn)的基本目標(biāo)。

4.5 提升科學(xué)技術(shù)的扶持力度

通過逐步加大科學(xué)技術(shù)的扶持力度，可以使相關(guān)技術(shù)的投入更加到位，從而獲得更為滿意的成果，更好地提升3D打印技術(shù)的整體水平。根據(jù)實際的需要，可以適當(dāng)?shù)亟?D打印產(chǎn)業(yè)專項基金會，為相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域的推廣提供必要的支持，穩(wěn)步推進(jìn)數(shù)字化技術(shù)和軟件控制等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，促使相關(guān)工作的開展更加順利，贏得更為廣闊的發(fā)展市場。

4.6 強化教育培訓(xùn)的力度

為了普及3D打印技術(shù)，實現(xiàn)社會化推廣的目的，應(yīng)該提升教育培訓(xùn)力度，運用科學(xué)的手段，使3D技術(shù)獲得更為滿意的發(fā)展成果。需要將3D打印技術(shù)積極地納入科學(xué)的學(xué)科建設(shè)體系中，及時培養(yǎng)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)型人才，結(jié)合行業(yè)協(xié)會等組織的力量，完成科學(xué)合理的活動規(guī)劃，推動3D產(chǎn)業(yè)鏈的完善與優(yōu)化。