【詳解】3D打印在航空制造中的優(yōu)點與局限

3D打印技術是在上世紀70年代末期開始出現(xiàn)，主要應用于產(chǎn)品研制階段的“快速原型”和生產(chǎn)階段的“快速制造”。3D打印技術與曾經(jīng)應用于工業(yè)生產(chǎn)的堆焊工藝方法相似，之所以稱為3D打印，就是在成型工藝上采用CAD和計算機3D模型數(shù)據(jù)，將兩維基材通過不同融合方式組合成三維結(jié)構。用在航空生產(chǎn)上的工藝方法主要有激光近凈成形技術（LENS）、激光選區(qū)熔化技術（SLM）及電子束選區(qū)熔化技術（EBSM）。

△世界上第一架采用噴氣動力的3D打印無人機

3D打印復雜框類結(jié)構毛坯的減重效果比較明顯，如F-22最大面積鍛造結(jié)構框的毛坯重量為2790千克，毛坯加工后的凈重量只有144千克，材料去除比例達到了95%！如果按照已經(jīng)能夠驗證的工藝要求制造盤形復雜結(jié)構零件，鍛造工藝無法直接制成細節(jié)結(jié)構，材料利用率只有毛坯重量的約10%。鑄造則可以完成部分細節(jié)的粗略成型，毛坯實際利用率可達到總重量的20%~25%。3D打印可以直接制成與成品接近的外形，考慮到外表加工工藝和材料品質(zhì)要求，成品零件可以達到毛坯總重的60%~70%，材料利用率和機加工效率都有很大提高。

相對的，鑄造成型模具的再利用效果比較好，成品芯型能進行批量毛坯的制造。鍛造的鍛壓模具成本雖然很高，工藝設備標準要求也高，但鍛造也有利于進行批次生產(chǎn)毛坯的成型。3D打印采用增材制造的工藝手段，無論只制造1個還是批制造100個，單件的生產(chǎn)時間和成本均沒有任何差異，零件的成型工藝要求和品質(zhì)控制則更為嚴格。

3D打印與其它制坯方式的對比
現(xiàn)階段3D打印技術的航空應用主 要集中在金屬結(jié)構，以坯材成型加工難度大的鈦合金和合金鋼為主，加工難度低的鋁材則更適合采用鍛鑄方式成型。 3D打印航空零件的應用已比較廣泛。國外用于F-22的3D成型TC4接頭已經(jīng)達到2倍設計疲勞壽命，F(xiàn)/A-18的翼根吊架結(jié)構強度達到設計要求的225%，疲勞壽命也達到4倍設計要求，C-17等型號的進氣道附件也都開始批量應用3D打印，部分3D打印件已能在現(xiàn)有機型制造中替代鈑金和精鑄件。

中國在航空3D打印方面取得了很大的成績，已有多個型號應用3D打印的承力結(jié)構，達到了縮短制造周期和簡化工藝的效果，對產(chǎn)品減重的作用也比較明顯，宣傳資料中甚至有過減重40%的說法。國內(nèi)很多軍迷僅根據(jù)這個40%和類似說法，就對航空結(jié)構減重抱有很大希望，而這個40%雖然理論上存在可能，但要受到非常嚴格的條件和應用限制。

SLM制成品的尺寸精度較高，但成 型體結(jié)構密度控制效果不好，難以承受高載荷的結(jié)構效應，承力結(jié)構的3D打印主要采用的是LENS。按照已經(jīng)公開的3D打印整體框架坯材外形對比，3D打印件毛坯重量大致只有鍛造的15%，這是3D打印的技術優(yōu)勢，但坯材減重比并不代表最終制成品的重量對比。 飛機的整體結(jié)構框架的設計要考慮到輕巧、堅固，以及工藝和成品機械/理化性能的一致性，結(jié)構設計必須嚴格滿足標準化的要求，不同機型類似結(jié)構的設計并沒有大的差異。

展覽上公開的3D打印承力框架制成品，結(jié)構設計與鍛造框架并沒有任何差別，區(qū)別僅體現(xiàn)在毛坯成型的工藝方式。3D打印的LENS和SLM工藝均已比較成熟，無論是采用激光還是電子束作為能量源，無論是使用粉材還是絲材作為基材，材料本身的理化條件并不會因為加工方式不同而變化。按現(xiàn)有技術，近凈成型燒結(jié)的材料理論密度比鍛造低近1%，選區(qū)熔化方式成型的粉末材質(zhì)密度相對較小，與鍛造件的密度差別也在3%以內(nèi)，工藝實現(xiàn)條件越好材料密度差異就越小。

無論采用什么樣的3D成型方式，同樣零件的材料性能如果沒有大的差別，零件的制成品重量就不會存在明顯的差別。所以說，3D打印坯材加工方式取得的減重效應非常有限，考慮到目前3D打印的材料性能還不夠完善，相比成熟的鍛造結(jié)構容限保險設計更多，同樣設計結(jié)構件的凈重甚至還要重些。

按照已公開的數(shù)據(jù)看，3D打印鈦合金零件的成品件，抗拉強度和硬度已達到鍛件的標準，但疲勞壽命和裂紋容限受工藝影響較大，未來相當時間里還缺乏全面替代鍛造的條件。美國飛機制造中大量應用整體鍛造框架，對高風險的3D打印的應用不夠積極，就是考慮到了制成品壽命和質(zhì)量控制困難的因素。中國在新機制造上應用3D打印承力結(jié)構的同時，還投入很大資金和技術力量開發(fā)大型鍛壓機，也是因3D打印無法解決大型制造成品的批生產(chǎn)要求。3D打印與鍛/鑄造各有優(yōu)勢，只要航空設計和生產(chǎn)體系還基于傳統(tǒng)工業(yè)技術，鍛/鑄和軋壓仍將是主要工藝成型手段，3D打印的結(jié)構減重效應就很難得到體現(xiàn)。

基于制造技術突破的減重措施
按照減重標準對比，3D打印的密度與鍛造的差異不到1%，而要實現(xiàn)避免缺 陷和改善材料性能的目標，密度差異其實是越小越好。按照實際生產(chǎn)條件去對比，某簡單框架的成品重量如果接近300千克，模鍛件毛坯重量大致在2700千克左右，3D打印的框架毛坯重量可以降低到接近500千克，但成品重量與鍛造的理論區(qū)別還不到1千克，僅比整體機械加工的尺寸誤差換算值略大。所以說，從成品重量這個最終指標去對比，3D打印減重效果幾乎可以忽略不計。

那么宣傳資料中減重40%的說法是怎么來的？這要從飛機結(jié)構工藝去說明�，F(xiàn)代航空制造的金屬成品結(jié)構越復雜加工難度就越高，很多組合曲面結(jié)構還必須依靠數(shù)控設備加工。第三代之后的先進戰(zhàn)斗機采用翼身融合氣動設計，很大程度上改善了飛機的結(jié)構強度和設計性能。這種設計其實在上世紀30年代就已經(jīng)存在，但在噴氣戰(zhàn)斗機應用前期沒使用。融合體結(jié)構框架存在大量連續(xù)曲面，制造這些曲面的工藝難度非常大，角度控制和表面連續(xù)性加工工藝要求高，很難依靠普通機加工設備成批制造。數(shù)控設備在上世紀70年代大量應用后，三軸數(shù)控機床成為曲面加工的手段，飛機也就開始更多利用結(jié)構曲面改善氣動設計。

△3D打印無人機側(cè)視

連續(xù)曲面變角度結(jié)構勢必會產(chǎn)生半封閉空間。設計師在設計機體結(jié)構時必須考慮到可加工因素，半封閉或封閉復雜結(jié)構難以整體成型加工，必須分解成多個獨立的可加工零件，采用組合件的方式滿足結(jié)構外形與工藝的要求。組合件的問題是每個零件都必須滿足獨立強 度要求，結(jié)構件和桁條等結(jié)構也要保證獨立承力的厚度。采用鉚接和螺接組合零件時，標準件緊固位置的孔強度還必須高于零件強度。 如果要用螺栓固定某根壁厚2毫米的L型型材，每個螺栓孔位置的厚度要超過平均厚度，如果采用鉚釘則需要平均分布多個鉚釘孔。

組合件組合要求增加了零件的結(jié)構重量，組合用標準件也增加了整體重量，對于某些小型的復雜輕金屬結(jié)構，組合用標準件的重量甚至比零件本身的重量還要高。 如果能夠通過工藝手段直接成型組合件，一體化結(jié)構將實現(xiàn)明顯的減重效果。

如兩個組合件的對合壁板厚度均為2毫米，將其一體成型后的整體壁板只需要不到3毫米，取消鉚釘施工要求又可以明顯降低重量。美國在F-16戰(zhàn)斗機改進設計中，曾經(jīng)在前機身結(jié)構改進中應用精密鑄造件，用整體鋁合金鑄件替代鉚接組合件，使替代總重量超過11千克的組合件的精鑄件重量降低到4.7千克。利用復合材料替代金屬材料時，雖然復合材料壁板的單體結(jié)構重量比鋁合金高，但用桁條膠接為整體結(jié)構的復合材料壁板，卻能夠取消組合件的獨立桁條和固定鉚釘，總重量反而比組合金屬結(jié)構降低了接近30%。

3D打印直接體現(xiàn)的減重優(yōu)勢主要就是打印出復雜的封閉/半封閉零件，直接取代由多個零件組成的組合件，零件重量可以大幅度降低，固定零件的鉚釘和螺栓的數(shù)量也可以減少，這才是3D打印減重最直接的應用方式。 飛機結(jié)構一體化減重是效果最明顯的措施。航空系統(tǒng)很早就在爭取實現(xiàn)結(jié)構件一體化，尤其是復合材料應用到航空結(jié)構件后，曲面加筋壁板這種整體結(jié)構相比金屬組合件，已經(jīng)表現(xiàn)出很突出的減重和降低零件數(shù)量的優(yōu)勢。復合材料工藝水平發(fā)展很快，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)全復合材料的飛機，但復合材料不僅存在成本高和工藝難度大的問題，大部件制造還存在維護和維修難度高的使用困難，限制了復合材料在飛機結(jié)構大部件方面的應用范圍�，F(xiàn)代復合材料還無法取代結(jié)構件的金屬材料，3D打印則通過高度靈活的成型手段，有利于實現(xiàn)金屬和多種金屬/非金屬組合結(jié)構的一體化，與復合材料共同組成航空輕重量結(jié)構。

3D打印不僅在結(jié)構制造上可以發(fā)揮減重作用，也有利于成品安裝和系統(tǒng)布局的減重和改進。機載成品安裝支架 或運動裝置的支撐結(jié)構復雜，又不是承力結(jié)構，很適合采用3D打印方式制造。如果把現(xiàn)在普遍采用的組合件用3D整體件替代，利用高尺寸精度的選區(qū)熔化方式一體成型，將有利于提高結(jié)構一致性和裝卸更新的方便性。

飛機的各種液體和氣體導管種類很多，分布廣泛，管道走向還要避開結(jié)構件和成品，沒有辦法在飛機內(nèi)部設置長距離的直管。機載液、氣管線存在很多彎曲度大的轉(zhuǎn)角，為保證管道彎曲時的機械性能，必須在大的轉(zhuǎn)角位置采用轉(zhuǎn)向接頭，消除因為小半徑彎管產(chǎn)生的應力集中，這就使管線敷設中需要使用很多工藝接頭。如果能夠在保證安裝和更換方便性的同時，3D打印出整體彎管替代傳統(tǒng)的機械彎管、擴口和接頭固定，將在保證管道彎曲尺寸要求的同時，降低管線的零件數(shù)量，提高機械性能。取消接頭還能減少滲漏檢查和維護的接口數(shù)量，一體成形的光滑內(nèi)壁還可以優(yōu)化管道內(nèi)部液體和氣體流動效果。

3D打印對復合材料的支持
3D打印不僅可以用于金屬和非金 屬材料，還能夠用于碳纖維這類復合材料的制造。

現(xiàn)代航空復合材料主要采用絲材鋪、繞和樹脂固化。復合材料絲材采用鋪帶方式疊層制造成型，使復合材料大都呈現(xiàn)平均厚度的平面結(jié)構，組合件則采用粘接或標準件固定的方式。如果將3D打印技術應用于復合材料制造，將絲材的鋪疊和樹脂填充由平面向立體發(fā)展，能夠使復合材料復雜結(jié)構件一體成型，省去零件粘接和共固化的后續(xù)工藝過程，降低復合材料整體部件的制造周期，并避免組合加工過程控制中可能出現(xiàn)的工藝缺陷。 3D打印可以制造出立體網(wǎng)格形的 復雜結(jié)構，每個網(wǎng)格的空間尺寸可以達到高度一致，雖然網(wǎng)格結(jié)構并不適合獨立作為航空部件，但卻可以成為航空復 合結(jié)構件的基材。

△3D打印無人機的機翼結(jié)構特寫

網(wǎng)格結(jié)構基材與復合材料纖維組合，利用樹脂固化/燒結(jié)金屬/陶瓷與復合材料，能較好兼顧強度、曲面外形和安裝組合的要求。高性能航空發(fā)動機全復合材料葉片與金屬葉盤組合時，不同的材料機械、熱性能對工藝要求很高，設計和施工難度也很大。如果用3D打印技術將金屬基材料與復合材料組合制成葉片，金屬的葉根與盤體材料性能一致，能明顯降低發(fā)動機葉盤的組裝難度，也有利于在發(fā)動機改進中直接替代全金屬葉片，為發(fā)動機整體減重提供非常大的改進空間。

3D打印的應用限制
3D打印能夠有效提高航空產(chǎn)品的工藝和制造水平，通過結(jié)構減重改善航空器性能的潛力也很大，但實際應用所 面對的技術局限也非常明顯，直接限制了3D打印在航空制造領域的應用范圍。 3D打印的一體化制造能夠取得減重效應，那把飛機的大部件都用3D打出來不行嗎？飛機大部件全3D打印的技術難度并不算大，目前國外已實現(xiàn)長度超過5米，直徑1.2米矩形框的3D整體成型，將飛機前機身的框架一體化制造，在加工工藝方面是沒有問題的。理論上只要結(jié)構材料相同，大部件整體打印并沒有什么難度，選區(qū)熔化成型件的表面粗糙度比較高，基本能滿足替代鈑金組合件的工藝要求。問題是現(xiàn)在的飛機結(jié) 構并不僅是要滿足尺寸要求，而是要滿足飛機使用和維護的各方面需要。

現(xiàn)代作戰(zhàn)飛機的機載設備分布全機，飛行控制、燃料和電源系統(tǒng)的導管與線纜同樣分布廣泛。遍布全機的設備和管線需要頻繁維護，這就要求飛機表面必須開有對應的檢查口蓋，先進戰(zhàn)斗機的表面開口率甚至可以超過60%。設備檢查開口需要內(nèi)部結(jié)構避讓，機體結(jié)構還要留出故障件更換所需的操作空間。如果機體結(jié)構的大部件實現(xiàn)一體化，內(nèi)部成品設備和導管等無法分解的部件，將很難利用外場維護條件實現(xiàn)無損更新。

如果把內(nèi)部設備分解化裝配，成品與導管增加的接頭和組合件，又會在很大程度上消耗掉結(jié)構整體化的收益，增加外場維修和檢查難度將惡化飛機的完好率，也不利于軍用飛機隨使用過程進行改裝完善�，F(xiàn)代軍用飛機的改進很頻繁，如美國海軍已退役的F-14艦載戰(zhàn)斗機，各種設備和結(jié)構隨飛機生產(chǎn)過程調(diào)整，最終幾乎不存在兩架結(jié)構和成品完全一致的飛機。如果實現(xiàn)3D打印大部件直接替代組合件，現(xiàn)在的很多改進措施事實上將無法應用，或在改進中必須對結(jié)構進行大范圍更換，時間與資金的消耗直接限制了飛機改造的效費比。

事實上，越是功能和設備簡單的飛機越容易實現(xiàn)一體化，越是設備和功能要求復雜的飛機，對結(jié)構可拓展性和包容性的要求就越高，采用大規(guī)格一體化結(jié)構的難度和全壽命成本就越大。維護難度是限制大規(guī)格一體化結(jié)構的難點，飛機本身的使用特點更影響到整體結(jié)構的應用范圍。 現(xiàn)代噴氣戰(zhàn)斗機的飛行速度可達到M1.5，地面停放時的低溫可達到-50℃，飛行時也存在結(jié)冰等低溫環(huán)境的影響，但駐點溫度在高速飛行時甚至要超過百度，M2以上速度的駐點溫度甚至可以達到200℃，機體外表和結(jié)構還要承受高速飛行的速壓。

同時，飛機內(nèi)部設備艙和管線需要進行溫度和壓力控制，發(fā)動機段存在高溫區(qū)，均使機體結(jié)構和蒙皮要反復承受高/低溫和壓力變換的影響。金屬材料在飛機使用過程中，不同材料和結(jié)構存在不同的膨脹系數(shù)，不同使用環(huán)境將對結(jié)構產(chǎn)生多種狀態(tài)的應力。整體固定結(jié)構勢必集中承受這些應力作用，大規(guī)格整體結(jié)構很難平衡各種因素的影響，很容易因為應力集中和傳導產(chǎn)生破損和裂紋，結(jié)構損壞將主要集中在零件的折角和孔位。組合件雖然在加工和使用中存在問題，但組合件本身就是個分解應力的分散結(jié)構，更容易承受飛機使用的惡劣環(huán)境要求，出現(xiàn)結(jié)構變形和裂紋時也方便更換破損零件，這也是3D打印大部件難以替代的技術優(yōu)勢。

3D打印大部件的應用前景
3D打印可以支持航空設計師實現(xiàn)夢寐以求的組合件最大化，以及最小化裝配量的高經(jīng)濟性目標。通過3D打印技術制造整體零件，有條件把維護和結(jié)構允許的部分一體化，大幅度減少因為 零件數(shù)量和裝配工藝所產(chǎn)生的重量，使飛機設計和裝配的難度明顯得到降低。國內(nèi)外現(xiàn)階段3D打印的應用范圍還不大，主要集中在復雜零件的快速原型和小批制造，但以鑄造件對航空裝備減重的效果作為依據(jù)，只要突破了設計和應用方面的幾個關鍵點，3D打印一體化應用的發(fā)展將是必然的趨勢。

△3D打印的飛機零件
隨著3D打印技術應用成熟度的提高，也將出現(xiàn)相應的工藝和制造規(guī)范。3D打印只要突破整體大部件材料堆積速度和制成品質(zhì)量/壽命控制的難關，將會首先在大型民用和軍用特種飛機（普遍采用民用飛機作為平臺）制造中得到應用。民用大飛機的優(yōu)點是結(jié)構尺寸大，機體開口比例低，飛機交付后一般不會進行大的結(jié)構改動，適合3D打印一體化大部件的應用。按照空客公司的設想，未來的民用飛機可以利用3D打印的方式，采用“鳥巢”式網(wǎng)格結(jié)構整體成型機體，用透明件填充框架，讓民用客機擁有“花房”式全景布局的機體，最大化發(fā)揮3D打印所帶來的性能和使用優(yōu)勢。

國外已經(jīng)制造出全3D打印的無人機的機體和發(fā)動機，實現(xiàn)用3D打印生產(chǎn)小型化、低維護要求航空產(chǎn)品的目標。按照國外航空企業(yè)的遠景規(guī)劃，到2050年就有實現(xiàn)飛機整體結(jié)構3D打印成型的可能，屆時將會出現(xiàn)由3D打印大部件組成的實用型民用中、大型航空器。

3D打印實際應用的成本和成熟性
3D打印可降低毛坯件重量和減少機加工時間，能提高生產(chǎn)速度和降低成本，但這只是比較零件的后期加工費用，而沒有考慮到全生產(chǎn)周期的綜合成本。 3D打印需要精細度很高的粉材作 為基材。高精細度和高純度的粉材，制 造工藝和單位重量成本遠高于金屬坯材基料。普通的民用塑料件每千克成本不 過幾十元，可用于3D打印的同材料粉材 每千克成本上百元，進口高品質(zhì)粉材的成本可達幾百元，航空用金屬材料的坯、粉材料成本差異也大體相似。

事實上，3D打印的基材本身就要對原坯進行專門的加工，使冶煉坯料成為可用于燒結(jié)的高純度粉材，而宣傳3D打印時卻很少考慮這方面的生產(chǎn)周期和成本。嚴格說起來，常規(guī)鍛件由鑄造的坯材軋壓成型后加工，與先制成粉材后再通過燒結(jié)方式3D成型后加工，綜合成本必須統(tǒng)計整個生產(chǎn)周期的成本，而不是僅去對比毛坯件成型和機加工周期成本。

3D打印航空零件雖然已經(jīng)實際應用了十幾年，但作為關鍵件使用的歷史并不長，沒有哪個型號真正完成了全壽命實際使用的驗證。3D打印零件的試驗數(shù)據(jù)確實比較理想，但與經(jīng)過上百年傳承的常規(guī)工藝相比，3D打印存在有很多還不夠清晰的應用問題，需要經(jīng)過長時間使用才能夠積累足夠的數(shù)據(jù)。 3D打印減重最直接的措施就是實現(xiàn)結(jié)構一體化，而沒有得到完整的設計體系支持的一體化，僅能在生產(chǎn)制造階段發(fā)揮直接作用，在周期最長的使用階段的經(jīng)濟效益卻缺乏驗證，而且存在比常規(guī)工藝更大的質(zhì)量控制風險。3D打印零件需要長時間使用才能積累應用數(shù)據(jù)，目前設計師和使用者都不敢放開3D打印的應用范圍。

△3D打印的微型航空發(fā)動機進行測試

3D打印能適應復雜的結(jié)構設計，工藝實現(xiàn)難度比鑄/鍛要低。但是，3D打印單件與批量的生產(chǎn)消耗沒有差異，相比之下，鍛/鑄生產(chǎn)制造出模具就可以重復制造，批生產(chǎn)消耗明顯低于首件。因此，達到批生產(chǎn)效益平衡點的可以利用3D制造，否則還是應采用常規(guī)方式。 現(xiàn)代軍機的正常生產(chǎn)周期在1年左右，飛機壽命卻能達到30年，結(jié)構壽命也有近萬飛行小時，這個期間所面對的問題遠比生產(chǎn)周期更多，也更復雜。

3D打印用于設計驗證與原型機的快速制造時，短周期和低成本的優(yōu)勢明顯，如果把3D打印零件廣泛用于批生產(chǎn)型號，帶來的縮短生產(chǎn)周期和降低成本的收益是否能平衡全壽命周期內(nèi)的風險還是問號。3D打印是足以影響航空設計和制造的前沿技術，但這種技術真正融合到航空工藝體系中，所需要的時間和應用研究還遠非現(xiàn)在的規(guī)模所能企及。

編輯：南極熊
作者：江雨