【干貨】3D打印技術對航空制造業(yè)發(fā)展的影響

新材料、新工藝、新機器人、新的網(wǎng)絡協(xié)同制造服務，生產(chǎn)會更加經(jīng)濟、高效、靈活、精簡。3D打印技術作為“第三次工業(yè)革命的重要標志”，被認為是推動新一輪工業(yè)革命的重要契機，已經(jīng)引起全世界的廣泛關注。3D打印技術作為具有前沿性、先導性的新興技術，正在使傳統(tǒng)生產(chǎn)方式和生產(chǎn)工藝發(fā)生深刻變革。3D打印技術將以其革命性的“制造靈活性”和“大幅節(jié)省原材料”在制造業(yè)掀起一場革命。它最適合應用于多品種、小批量、結構復雜、原材料價值量高的結構制造，因此有望在航空制造領域獲得廣泛應用。

1  3D打印的主流技術手段
3D打印技術原理是把一個通過設計或者掃描等方式做好的3D模型按照某一坐標軸切成無限多個剖面，然后一層一層打印出來并按原來的位置堆積到一起，形成一個實體的立體模型�？焖俪尚渭夹g使用的方法有很多種（圖1），比較主流的方法包括光固化立體成形（ SLA）、分層實體制造（ LOM）、選擇性激光燒結（SLS）、熔積成形（ FDM）等。

1) 光固化立體成形 光固化立體成形（圖2）由美國3D Systems公司在20世紀80年代后期推出。它是在樹脂液槽中盛滿液態(tài)光敏樹脂，使其在激光束的照射下快速固化，然后工作臺下降一層薄片的高度，進行第二層激光掃描固化，如此重復，直到整個產(chǎn)品成形完畢。  

2） 分層實體制造 供料機構將底面涂有熱熔膠的箔材—段段地送至工作 臺的上方。激光切割系統(tǒng)按照計算機提取的橫截面輪廓用CO2激光束對箔材沿輪廓線將工作臺上的紙割出輪廓線，并將紙的無輪廓區(qū)切割成小碎片(圖3)。

3） 選擇性激光燒結工藝 選擇性激光燒結(圖4)采用CO2激光器對粉末材料（塑料粉、陶瓷與黏結劑的混合粉、金屬與黏結劑的混合粉等）進行選擇性燒結．是一種由離散點一層層堆積成三維實體的工藝方法。  

4） 熔積成形 熔積成形工藝是一種不依靠激光作為成形能源，而將 各種絲材加熱熔化的成形方法(圖5)。   

2 3D打印技術及產(chǎn)業(yè)發(fā)展
3D打印技術的歷史由來已久。1986年，美國3D Systems公司推出了第一款工業(yè)化的“3D打印”設備，1990 年開始銷售，短短幾年形成了巨大的市場。3D打印設備應用的方式有兩種：一種是大企業(yè)為自己的產(chǎn)品開發(fā)服務，如波音、通用、福特、戴姆勒-克萊斯勒三大汽車公司、IBM、蘋果、豐田等都在應用；另一種方式為大學、研究所甚至由六、七個人組織的服務機構以一臺或數(shù)臺成形機為中心，開展對中小企業(yè)的服務。目前，全球有兩家3D打印機制造巨頭，分別為3D Systems 和Stratasys，均為美國上市公司，2011年營業(yè)收入分別是2.3億美元和1.6億美元。2011年3D打印產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模為17億美元。

目前，快速成形技術的市場應用份額如圖6所示，其中航空航天約占8%。 自20世紀90年代以來，國內(nèi)多所高校開展了3D打印技術的自主研發(fā)，并進行了產(chǎn)業(yè)化運作。西安交通大學、清華大學、華中科技大學、北京隆源公司、中航重機激光等院校和企業(yè)在典型的快速成形設備、軟件、材料等方面的研究和產(chǎn)業(yè)化獲得了重大進展，我國快速成形技術的研究工作基本與國際同步，但在快速成形技術新設備研發(fā)和應用 方面則落后于國外。國外快速成形技術在航空領域有超過8％的應用量，而我國在這方面的應用量則非常低。據(jù)估計，3D打印設備在我國企業(yè)級裝機量在400臺左右，2010年以來年增速為70%左右，市場規(guī)模超過1億元。

3 3D打印技術在航空領域的應用
歐美已將3D打印技術視為提升航空航天領域水平的關鍵支撐技術之一。3D打印技術在航空領域的應用主要集中在3類：外形驗證、直接產(chǎn)品制造和精密熔模鑄造的原型 制造等。

1） 國外應用情況
波音公司已經(jīng)利用三維打印技術制造了大約300種不同的飛機零部件，包括將冷空氣導入電子設備的形狀復雜導管。目前波音公司和霍尼韋爾正在研究利用3D打印技術 打印出機翼等更大型的產(chǎn)品。 空客在A380客艙里使用3D打印的行李架，在“臺風”戰(zhàn)斗機中也使用了3D打印的空調(diào)系統(tǒng)�？湛凸�司最近提出 “透明飛機概念”計劃，制定了一張“路線圖”，從打印飛機 的小部件開始，一步一步發(fā)展，最終在2050年左右用3D打印機打印出整架飛機。

“概念飛機”本身有許多令人眼花繚 亂的復雜系統(tǒng)，比如仿生的彎曲機身，能讓乘客看到周圍藍天白云的透明機殼等，采用傳統(tǒng)制造手段難以實現(xiàn)，3D打印或許是一條捷徑。GE航空在2012年11月20日收購了一家名為Morris Technologies的3D打印企業(yè)，計劃利用后者的3D打印技術打印LEAP發(fā)動機組件。GE把這次收購看作是對新制造技術的投資，認為具備處理新興材料與復雜設計的工藝制造開發(fā)能力，對GE的未來至關重要。


2） 國內(nèi)應用情況
中航重機激光技術團隊早在2000年前后，開始進行“3D激光焊接快速成形技術”研發(fā)。目前，中航重機激光產(chǎn)品已應用于我國多款新型軍用飛機，并起到關鍵作用。除了軍用飛機，中航重機激光還在開拓整體葉盤應用市場，以及大型水面水下艦艇市場。 北京航空航天大學同我國主要飛機設計研究所等單位通過“產(chǎn)學研”緊密合作，瞄準大型飛機、航空發(fā)動機等國家重大戰(zhàn)略需求，歷經(jīng)17年研究在國際上首次全面突破了鈦合金、超高強度鋼等難加工大型復雜整體關鍵構件激光成形工藝、成套裝備和應用關鍵技術，并已在飛機大型構件生產(chǎn)中研發(fā)出五代、10余型裝備系統(tǒng)，已經(jīng)受近十年的工程實際應用考驗，使我國成為迄今唯一掌握大型整體鈦合金關鍵構件激光成形技術并成功實現(xiàn)裝機工程應用的國家。2013年1月18日，王華明聯(lián)合研發(fā)團隊憑“3D激光快速成形技術”獲國家技術發(fā)明一等獎。

4 3D打印對生產(chǎn)方式的變革
相對于傳統(tǒng)制造業(yè)，3D打印使制造模式、流程、供應鏈等方面發(fā)生巨大變化。

1） 定制成為新標準 制造模式上，過去是生產(chǎn)線規(guī)�；�生產(chǎn)，今后則可能更多的是數(shù)字化、個性化、分散化的定制生產(chǎn)，不再需要庫存大量零部件，也不需要大量生產(chǎn)。
2） 縮短上市時間 3D打印無需機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期。
3） 更優(yōu)越的產(chǎn)品性能 3D打印的產(chǎn)品是自然無縫連接，結構之間的穩(wěn)固性和連接強度要高于焊接等傳統(tǒng)方法。  
4） 開放式的產(chǎn)品設計 3D打印產(chǎn)品設計者與消費者之間可以通過互動改進產(chǎn)品，這個互動是雙向的，消費者也可以自己設計產(chǎn)品。
5）改變離岸經(jīng)濟模式 3D打印對產(chǎn)品供應鏈有重大影響，選擇生產(chǎn)地時，勞動力成本不再那么重要，而是考慮如何接近消費者，傳統(tǒng)過程的供應鏈就變得短了，使得傳統(tǒng)的離岸經(jīng)濟模式得以改變。

5 3D打印產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展前景
對于3D打印未來的發(fā)展前景，業(yè) 界普遍看好。作為全國工業(yè)的主管部門，工信部準備組織研究制定3D打印技術路線圖、中長期發(fā)展戰(zhàn)略，推動完善3D打印技術規(guī)范和標準制定，研究制定支持3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展的專項財稅政策。據(jù)報道，科技與信息化部的3D打印相關戰(zhàn)略規(guī)劃也正在研究制定中，近期即將公布。據(jù)高德納（Gartner）公司2012年的新興技術炒作周期報告判斷：3D打印技術目前正在進入概念炒作的高峰階段，在5～10年的時間內(nèi)將迎來發(fā)展高峰（圖7）。  

據(jù)Wohlers Associates報告分析，全球3D打印產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值在1988～2010年間保持著26.2%的年均增速。2011年3D打印產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模為17億美元，到2016年產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值將達到31億美元，2020年將達到52億美元，其中零部件制造將占80%。而對于快速成形應用領域，則市場更為廣闊。2012年，全世界快速成形制造的產(chǎn)值估計為230億美元，2015年產(chǎn)值將會達到350億美元。 3D打印技術要想進一步擴展其產(chǎn)業(yè)應用空間，目前仍面臨著一些瓶頸和挑戰(zhàn)：

一是成本方面，現(xiàn)有3D打印機造價仍普遍較為昂貴，給其進一步普及應用帶來了困難；
二是打印材料方面，目前3D打印的成形材料多采用化學聚合物，選擇的局限性較大，成形品的物理特性較差，而且安全方面也存在一定隱患；
三是精度、速度和效率方面，目前3D打印成品的精度還不盡人意，打印效率還遠不適應大規(guī)模生產(chǎn)的需求，而且受打印機工作原理的限制，打印精度與速度之間存在嚴重沖突；
四是產(chǎn)業(yè)環(huán)境方面，3D打印技術的普及將使產(chǎn)品更容易被復制和擴散，制造業(yè)面對的盜版風險大增，現(xiàn)有知識產(chǎn)權保護機制難以適應產(chǎn)業(yè)未 來發(fā)展的需求。

6 3D打印技術未來發(fā)展的主要趨勢
隨著智能制造的進一步發(fā)展成熟，新的信息技術、控制技術、材料技術等不斷被廣泛應用到制造領域，3D打印技術也將被推向更高的層面。未來，3D打印技術的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趨勢。 提升3D打印的速度、效率和精度，開拓并行打印、連續(xù)打印、大件打印、多材料打印的工藝方法，提高成品的表面質(zhì)量、力學和物理性能，以實現(xiàn)直接面向產(chǎn)品的制造；開發(fā)更為多樣的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、納米材料、非均質(zhì)材料及復合材料等，特別是金屬材料直接成形技術有可能成為今后研究與應用的又一個熱點；3D打印機的體積小型化、桌面化，成本更低廉，操作更簡便，更加適應分布化生產(chǎn)、設計與制造一體化的需求以及家庭日常應用的需求；軟件集成化，實現(xiàn)CAD/CAPP/RP的一體化，使設計軟件和生產(chǎn)控制軟件能夠無縫對接，實現(xiàn)設計者直接聯(lián)網(wǎng)控制的遠程在線制造。

7 航空制造業(yè)整合3D打印技術的建議
我國是制造業(yè)大國，3D打印技術對中國諸多企業(yè)將是顛覆性的變革。我國航空制造業(yè)必須未雨綢繆，積極為迎接此技術革命做好準備。
1） 推進“產(chǎn)學研用”結合，拓展應用領域，延伸產(chǎn)業(yè)鏈，提高產(chǎn)業(yè)化程 度。
2） 改變產(chǎn)品，如研發(fā)現(xiàn)有產(chǎn)品的數(shù)字版及3D打印所需相應的硬軟件。
3） 改變制造過程和方法，首先將現(xiàn)有制造系統(tǒng)智能化自動化，并引入3D制造系統(tǒng)，將3D打印的增材和傳統(tǒng)的減材制造結合，形成復合體系。因為現(xiàn)有技術不會完全消失，雜交制造體系在今后將會長期存在。
4） 改變商業(yè)模式。這一新工業(yè)革命要求完全不同的價值獲取與盈利模式，及相關的流程設計，資源配置和組織機構的形式。
5） 通過一些資本化運作手段，兼并收購一些具有核心技術的3D打印企業(yè)，以核心制造能力和低成本的制造效率為重點，打造航空企業(yè)自身的價值元寶曲線，或許是在這次工業(yè)革命中實現(xiàn)快速趕超的有效途徑。


編輯：南極熊
作者：楊恩泉