3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)加工技術(shù)對比的優(yōu)缺點

葉冬森 沈培良 張大川 楊 釩 吳 磊 王倩倩

(上海飛機設(shè)計研究院，上海 201210)

0 引言

3D打印技術(shù)是一項前沿性的先進制造技術(shù)，利用3D打印機使三維CAD數(shù)據(jù)直接打印成三維模型，快速實現(xiàn)各種復(fù)雜個性化原型設(shè)計，比傳統(tǒng)的制造方法快速、省時，在航空航天[1]、生物醫(yī)學(xué)[2]、機械制造[3]、文化創(chuàng)意[4]等行業(yè)有廣泛的應(yīng)用前景。在全球興起的新一輪數(shù)字化制造浪潮中，3D打印技術(shù)作為其中最為關(guān)鍵的核心技術(shù)，是第四次工業(yè)革命重要的推動力和催化劑，正在引領(lǐng)設(shè)計與生產(chǎn)的變革。3D打印產(chǎn)品有諸多優(yōu)點，但在工業(yè)應(yīng)用上仍受諸多限制。一方面，3D打印產(chǎn)品應(yīng)用量少，價格居高不下；另一方面，缺乏有效的缺陷評估能力，3D打印產(chǎn)品的可靠性不可預(yù)測。目前傳統(tǒng)工藝原材料豐富、制作工藝完善、產(chǎn)業(yè)鏈條完整、制作成本低[5]，仍然是航空業(yè)的主要應(yīng)用工藝。同時，作為一種新興技術(shù)，3D打印金屬產(chǎn)品在疲勞性方面的研究還處于起步階段，金屬增材民機應(yīng)用有很大的局限性。但3D打印工藝的靈活性使結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計有更大的發(fā)揮空間，可以彌補傳統(tǒng)制造工藝對飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計的限制[6]，給民機設(shè)計降本減重帶來可能性。隨著技術(shù)的進步，增材產(chǎn)業(yè)鏈完善和工藝水平的進步，3D打印將會給飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計理念帶來更大的機遇。

1 3D打印技術(shù)的簡介

3D打印是一種使用數(shù)字文件制作三維立體物體的過程，首先計算機三維軟件將零件數(shù)模切分成數(shù)字化薄片，在成形平臺上，送料機構(gòu)在規(guī)定范圍內(nèi)按照數(shù)字薄片鋪覆材料，同時熱源對輪廓數(shù)據(jù)進行加工，通過連續(xù)堆積材料來創(chuàng)建模型，如圖1所示。減材制造與3D打印相反，是用銑床等切割或鏤空出零件構(gòu)型。對于傳統(tǒng)的材料去除加工技術(shù)，3D打印是一種自下而上的材料累積加工方法。3D打印僅在一臺設(shè)備上即可制造出任意復(fù)雜形狀的零件，不需要刀具、夾具以及多道加工工序，實現(xiàn)了自由制造，解決了許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的成形問題，并縮短了制造周期。3D打印技術(shù)按照其材料和工藝的不同，劃分成了不同類型的3D打印技術(shù)。目前，比較成熟的3D打印技術(shù)主要包括選擇性激光熔化技術(shù)(Selective Laser Melting，簡稱SLM)、快速等離子體沉積工藝(Rapid Plasma Deposition，簡稱RPD)、激光金屬熔覆(Laser Metal Deposition，簡稱LMD)等，這些主要是金屬3D打印技術(shù)；此外還有熔融沉積制造技術(shù)(Fused Deposition Modeling，簡稱FDM)、光固化成形技術(shù)(Stereo lithography Apparatus，簡稱SLA)、聚合物噴射技術(shù)(PolyJet)等[7]，這些主要是非金屬3D打印技術(shù)。目前在民機設(shè)計中成功使用的3D打印技術(shù)有金屬RPD[8]和非金屬3D打印FDM[9-10]，大幅降低了成本，減少了機加工和材料消耗，縮短了交貨時間。

圖1 增材加工

2 傳統(tǒng)加工技術(shù)的簡介

傳統(tǒng)加工技術(shù)包括減材加工和等材加工。減材加工主要采用比加工材料更硬的工具依靠機械外力來完成多余材料的去除過程，主要有：車、銑、刨、磨、鉆等，如圖2所示。一般精度零件使用普通機床加工后再進行必要的鉗工修配，即可裝配成各種組件；對于具有高精度要求的零件，則要采用精密機床進行加工，如三坐標(biāo)數(shù)控銑床、數(shù)控磨床等多軸加工[11]。

圖2 減材加工

等材加工主要是將熔融材料澆入模型，熔融材料凝固后獲得具有一定形狀、尺寸和性能的零件毛坯，主要包括鑄造、鍛造等，如圖3所示。等材加工在無機械加工或少量加工后即可使用，可在批量生產(chǎn)時很大程度上降低生成成本并減少制造周期，從而廣泛應(yīng)用于民用飛機設(shè)計領(lǐng)域[12]。

圖3 等材加工

傳統(tǒng)的加工技術(shù)普遍存在工作環(huán)境差、工序多且復(fù)雜、模具制造周期長、構(gòu)型迭代困難，少批量加工時成本高、對人員技術(shù)要求高等缺點，這使得傳統(tǒng)加工不能滿足目前民機中快速、高效迭代的零件研制生產(chǎn)速度。

民機零件制造除減材加工外，有兩種主要等材加工工藝：鑄造和鍛造。鑄造技術(shù)因其鑄件產(chǎn)品力學(xué)性能偏低以及內(nèi)部鑄造缺陷的不可控等缺點，不能應(yīng)用于飛機主結(jié)構(gòu)；鍛造技術(shù)是目前飛機主承力構(gòu)件的主要工藝技術(shù)，尤其是模鍛件，外形接近產(chǎn)品，少量機加就能形成最終產(chǎn)品，但其缺點是模具的設(shè)計和加工周期給結(jié)構(gòu)設(shè)計更改帶來巨大的成本壓力。

3 3D打印技術(shù)的優(yōu)勢

3.1 設(shè)計靈活

3D打印時無需考慮夾具、刀具干涉等限制，對流型孔道、集成一體化、特征復(fù)雜的結(jié)構(gòu)等均可以直接從功能性方面設(shè)計。另外，可以進行結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化減重，簡化制造工藝、提高毛料利用率，解決了傳統(tǒng)工藝中零件加工難度大、傳統(tǒng)加工后處理變形等問題，構(gòu)建出傳統(tǒng)工藝不能實現(xiàn)的形狀。

3.2 小批量生產(chǎn)的經(jīng)濟性

3D打印過程無需制造模具，且無需夾裝過程，不需通過大批量生產(chǎn)才能抵消昂貴的模具成本，允許低生產(chǎn)量，包括單件生產(chǎn)。小批量生產(chǎn)的經(jīng)濟性可降低民機研制階段設(shè)計更改的成本。

3.3 生產(chǎn)可預(yù)測性好

零件的3D打印時間、成形變形量可根據(jù)零件設(shè)計方案直接預(yù)測，通過參數(shù)調(diào)整和增材工藝仿真，零件成形變形量可預(yù)測并可以通過更改設(shè)計模型調(diào)整。隨著3D打印技術(shù)及輔助技術(shù)的發(fā)展，制造商可以對3D打印時間、成形質(zhì)量及成形精度等擁有更嚴(yán)密的控制力，從而使民機使用3D打印設(shè)計制造時零件構(gòu)型可測、可控。

3.4 減少裝配

通過3D打印構(gòu)建一體化的成形部件，取代需采用眾多零件裝配而成的產(chǎn)品,節(jié)省了多個零件的運輸、裝配、緊固件安裝、焊接等工序，通過摒棄多余的生產(chǎn)線而降低零件制作成本。

3.5 制造快捷

在民機初步設(shè)計階段，3D打印零件從計算機的三維立體造型開始直至制造出實體零件，一般只需要幾十個小時，不需要等待模具的制作，減少了零件構(gòu)型更改造成的重新開模時間,使零件設(shè)計迭代變得更加快速,研制周期大大縮短。

4 3D打印技術(shù)的缺點

4.1 材料受限

3D打印雖有廣闊發(fā)展前景，但也存在巨大的挑戰(zhàn)。在技術(shù)上，通過材料逐層構(gòu)造零件的方法不同于傳統(tǒng)的鍛造或鑄造，微結(jié)構(gòu)、缺陷種類、殘余應(yīng)力、可檢驗性、后處理要求以及結(jié)構(gòu)性能和耐久性等，均不同于傳統(tǒng)方法所產(chǎn)生的材料。對于復(fù)雜零件，材料設(shè)計值可能不能代表結(jié)構(gòu)實際性能，需要通過高于試片級的結(jié)構(gòu)試驗驗證材料與工藝共同影響結(jié)構(gòu)性能。

同時，適用于3D打印的材料種類有限，用于民機的材料需要滿足適航要求，3D打印材料的力學(xué)性能、組織結(jié)構(gòu)、制造工藝穩(wěn)定性、供應(yīng)商質(zhì)量監(jiān)控等都需要嚴(yán)格的控制，這使得3D打印技術(shù)只能應(yīng)用于民機設(shè)計的一些特定場合。尤其對于金屬材料，增材制造目前還沒有達到材料的標(biāo)準(zhǔn)化水平，普遍缺乏工業(yè)材料規(guī)范和工藝規(guī)范、基本性能的共享數(shù)據(jù)庫、以及測試標(biāo)準(zhǔn)，難以用現(xiàn)有生產(chǎn)檢測技術(shù)表明民機上應(yīng)用產(chǎn)品的可重復(fù)性和質(zhì)量穩(wěn)定性。

4.2 缺陷檢測受限

由于3D打印制造過程控制復(fù)雜，采用分層制造，層層疊加制造工藝，層與層之間結(jié)合處的質(zhì)量無法像精鍛零件一樣整體均勻。材料的微觀組織和結(jié)構(gòu)決定了零件的物理性能如靜強度、疲勞性能等，目前3D打印技術(shù)發(fā)展水平還不能滿足民用飛機損傷容限和疲勞強度設(shè)計要求。

3D打印技術(shù)因其固有的成形原理的限制，通過3D打印技術(shù)成形的零件尤其是金屬零件內(nèi)部存在制造缺陷，主要有空隙、微裂紋、熔融不良等缺陷，這些缺陷尺寸一般小于20 μm,低于一般的無損檢測方法門檻，而這些缺陷又是裂紋萌生源，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的疲勞性能。從而導(dǎo)致增材金屬零件不能直接作為民機大型關(guān)鍵承力件使用，只能作為小型功能件使用，使其應(yīng)用范圍受到限制。

4.3 精度控制困難

在3D打印過程中，從設(shè)備本身的軟件、硬件到成形材料及成形工藝，每個環(huán)節(jié)都有多個因素影響加工質(zhì)量。工程實踐表明，影響3D打印精度的關(guān)鍵因素為機械控制、模型數(shù)據(jù)處理、材料本身特性和成形參數(shù)控制。這些因素控制材料增加量、3D打印單元尺寸以及系統(tǒng)運動精度，決定了零件在累積方向的精度和零件的最小特征制造能力。3D打印精度提高需要減少材料增加量、控制3D打印單元尺寸、提高系統(tǒng)運動精度，而這些能力在短期研究中很難進一步提高。

5 3D打印與傳統(tǒng)加工對比分析

在民機設(shè)計領(lǐng)域，3D打印能夠?qū)崿F(xiàn)個性化定制、增加設(shè)計自由度、減少裝配、減少制造模具的成本、縮短研發(fā)生產(chǎn)周期，為民機降本減重帶來更多的機遇。

由于模具制造費用昂貴，等材加工主要用來制造結(jié)構(gòu)相對簡單、構(gòu)型成熟度高、構(gòu)型更改概率低、大批量生產(chǎn)的零件。減材加工的材料應(yīng)用廣泛、具有較高的加工精度，主要應(yīng)用在結(jié)構(gòu)復(fù)雜度低、表面光潔度要求高的零件。民用飛機的零件設(shè)計會根據(jù)結(jié)構(gòu)形狀、結(jié)構(gòu)性能要求、工作環(huán)境、研發(fā)生產(chǎn)周期、成本等要求選擇合適的加工方式。

目前在民機設(shè)計領(lǐng)域，所有零件均可以通過傳統(tǒng)加工完成，3D打印的出現(xiàn)是對傳統(tǒng)加工工藝的優(yōu)化補充。同時，3D打印制造零件的全流程也離不開傳統(tǒng)工藝(如后處理)的輔助。3D打印與傳統(tǒng)加工不是相互取代關(guān)系，而是相互結(jié)合取長補短的共存技術(shù)。

6 3D打印發(fā)展展望

6.1 精度更高技術(shù)

隨著激光、電子束及光投影技術(shù)的發(fā)展，3D打印單元尺寸及系統(tǒng)精度都會提高。首先，熱源光斑會向更小發(fā)展，單元的掃描精度會從微米級向納米級趨近；同時，系統(tǒng)精度通過設(shè)計集成和傳感反饋控制提高，從而提高單元分辨率。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，3D打印精度將會從目前的0.1 mm向0.01 mm～0.001 mm或更精密發(fā)展。最終，3D打印將實現(xiàn)微納米級的高精度制造。

6.2 高效制造技術(shù)

3D打印技術(shù)設(shè)計靈活、節(jié)省材料、適合小批量生產(chǎn)，這些只是采用3D打印技術(shù)的部分原因，在生產(chǎn)中充分使用該技術(shù)，仍需要高效制造技術(shù)。目前材料的可用性是3D打印行業(yè)的一個重要挑戰(zhàn)，3D打印材料的種類確實得到了飛速發(fā)展，但沒有一個可靠的材料數(shù)據(jù)庫，這使得應(yīng)用不同材料時會做不同的驗證試驗，大大限制了3D打印的應(yīng)用速度和范圍。因此，開發(fā)具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的3D打印材料數(shù)據(jù)庫是未來加快3D打印速度的關(guān)鍵。

另外，為實現(xiàn)大尺寸零件的高效制造，發(fā)展3D打印多加工單元的集成技術(shù)，提高制造效率，保證3D打印組織之間的一致性和單元結(jié)合區(qū)域的質(zhì)量是發(fā)展3D打印高效制造的另一關(guān)鍵技術(shù)。

6.3 復(fù)合材料打印

現(xiàn)階段的3D打印主要采用單一材料制造，如單一高分子或金屬材料[13]。隨著可3D打印材料種類的增多和設(shè)備自動化程度的提高，梯度材料、仿生耦合材料等多種復(fù)合材料的打印是未來發(fā)展趨勢。3D打印通過精確控制微單元材料數(shù)量和種類，準(zhǔn)確地堆積微單元實現(xiàn)成形，從而實現(xiàn)復(fù)合材料的控形和控性制造，從結(jié)構(gòu)自由成形到性能和結(jié)構(gòu)可控制造是未來3D打印的方向之一。

6.4 增減材混合制造

3D打印能夠成形傳統(tǒng)機械加工難以實現(xiàn)的流型孔道、創(chuàng)成式設(shè)計等復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，但其幾何精度和表面質(zhì)量與傳統(tǒng)加工還有較大差距。增減材混合制造技術(shù)可以由多軸數(shù)控機床、增材制造機構(gòu)、送料機構(gòu)、軟件控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)來實現(xiàn)[14]。增減材混合加工不同于一臺機床上同時集成車、銑、鉆等多工序的復(fù)合加工技術(shù)，而是加工過程中增材與減材互換與互補。通過逐層堆疊之后適時的去除，保證零件的尺寸精度和表面質(zhì)量，提高零件成形速度，實現(xiàn)了難加工材料的可加工性，減少了刀具磨損，為產(chǎn)品設(shè)計提供了新思路，大大促進了高端產(chǎn)品的創(chuàng)新。

6.5 飛機主承力結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

目前國內(nèi)民機領(lǐng)域使用了金屬3D打印件替代鑄件，多用于功能類次承力結(jié)構(gòu)，主要原因是3D打印過程中材料的熔化和凝固的速度極快，熔池內(nèi)的氣體沒有充足的時間釋放，殘存在冷卻構(gòu)件內(nèi)形成氣孔，以及材料熔化不充分或未熔化顆粒形成的缺陷等，使3D打印產(chǎn)品的抗疲勞性能不穩(wěn)定；目前國內(nèi)3D打印民機結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的控制多偏向于靜力性能，缺少對韌性的關(guān)注，致使3D打印產(chǎn)品的斷裂韌性較低，損傷容限性能尚不能滿足當(dāng)前結(jié)構(gòu)設(shè)計需求，因此達不到替代鍛件的水平。未來，通過打印工藝及后處理工藝的提升，降低3D打印產(chǎn)品的缺陷，提高3D打印產(chǎn)品的韌性，3D打印產(chǎn)品應(yīng)用于民機主結(jié)構(gòu)是必然趨勢。

7 結(jié)論

目前，3D打印技術(shù)正不斷向大尺寸、高精度、復(fù)雜化結(jié)構(gòu)、多種材料方向發(fā)展，打印材料的需求使用、打印的精度控制及打印速度的不斷提高是發(fā)展的主要方向。未來，3D打印技術(shù)的發(fā)展將會體現(xiàn)出精密化、智能化、通用化以及便捷化的趨勢。目前，3D打印仍是不夠成熟的新興技術(shù)，與傳統(tǒng)加工技術(shù)不是取代的關(guān)系，需要進一步提升，并與傳統(tǒng)制造技術(shù)相結(jié)合、互相補充，利用3D打印與傳統(tǒng)加工的特點，實現(xiàn)未來零件高精度與高品質(zhì)的加工，這才是3D打印進一步提高并實現(xiàn)民機應(yīng)用的未來。