基于3D打印技术在航空领域的应用分析

摘 要：3D打印技术是一种革命的、先进的加工制造技术，已经正在快速改变传统的生活方式和生产加工方式，欧美等发达国家非常重视该技术，并且积极推广。从3D计算机辅助设计（3D CAD）开始，人们希望能够将设计结果直接转化为实物。3D打印技术将以其革命性的“制造灵活性”和“大幅节省原材料”在加工制造领域掀起一场革命。它适合于小批量、多品种、结构复杂、原材料价值高的机械加工制造，因此在航空制造领域，它将会得到更加广泛的应用。

关键词：3D打印 快速成形技术 航空制造业

中图分类号：V261 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）05（b）-0013-01

1 3D打印技术的优势

（1）适用于复杂结构的快速制造，与传统机加工艺和模具成形等制造工艺相比，增材制造技术是将三维实体加工变为若干二维平面加工，大大降低了制造的复杂度。其中，航空类产品零件具有显著特征：产品类型复杂，具有多样化、小批量等特点；结构趋于整体化和复杂化，工艺难度大，加工过程复杂；大型化、薄壁化特点突出，变形控制极为关键；材料去除量大，切削加工效率问题突出；大型结构件毛料价值高，质量风险大。3D打印技术将以其革命性的“制造灵活性”和“大幅节省原材料”在加工制造领域掀起一场革命。它适合于小批量、多品种、结构复杂、原材料价值高的机械加工制造，因此在航空制造领域，它将会得到更加广泛的应用。

（2）与传统大规模、批量生产需要做大量的工艺技术准备以及大量的工装、复杂而昂贵的设备和刀具等制造资源相比，增材制造在灵活性和快速生产方面极具优势。传统减材制造中，需要将零件以外的毛料全部去除，而且对设备刀具要求较高，例如钛合金（Ti-6Al-4V）零件在加工时对设备及刀具的要求极高，通常在粗加工时为避免零件过热出现点蚀现象，机床进给速度不应超过400mm/min，机床转速不应超过1000r/min。

2 3D打印在航空领域中的应用

2.1 3D打印在国内航空应用情况

目前，我国已经具备了使用激光成形超过12m2的复杂钛合金构件的技术和能力，并投入多个国产航空科研项目的原型和产品制造中。在解决了材料变形和缺陷控制的难题后，节约了90%的材料和成本，中国生产的钛合金结构部件迅速成为中国航空研制的一项独特优势。由于钛合金重量轻，强度高，钛合金构件在航空领域有着广泛的应用前景。目前，先进战机上的钛合金构件所占比例已经超过20%。传统的钛合金零件制造主要依靠铸造和锻造。其中铸造零件易于大尺寸制造，但重量较大且无法加工成精细的形状。锻造切削虽然精度较好，但是零件制造浪费严重，原料95%都会被作为废料切掉，而且锻造钛合金的尺寸受到严格限制。而且这两种技术都无法制造复杂的钛合金构件，而焊接则会遇到可怕的钛合金腐蚀现象。激光钛合金成形技术则完全解决了这一系列难题，由于采用叠加技术，它节约了90%十分昂贵的原材料，加之不需要制造专用的模具，原本相当于材料成本1～2倍的加工费用现在只需要原来的10%。加工1 t重量的钛合金复杂结构件，粗略估计，传统工艺的成本大约是2500万元，而激光3D快速成型技术的成本仅130万元左右，其成本仅是传统工艺5%。更重要的是，许多复杂结构的钛合金构件可通过3D打印一体成型，节省工时，还大大提高材料强度。

2.2 3D打印在国外航空应用情况

近日，空客公司采用增材制造技术加工的A350XWB宽体飞机舱体支架获得“2014年德国工业创新大奖”。该零部件采用激光增材工艺加工。评委会认为这一跨工业领域项目正在变革飞机结构制造方式，可以使民用飞机中采用更多的轻量化结构。之前，这种零部件采用铝合金通过铣削等机械加工方法制造，现在可以使用钛合金采用增材制造技术加工，重量可减轻30%以上。

空客公司认为在飞机制造中采用增材制造技术具有以下几个方面的好处。

（1）采用增材制造，可以使飞机重量减轻，这样或是降低飞机的燃油消耗，或是增加飞机载重量。

（2）采用增材制造，在早期阶段就可能生产出与批量化生产零件结构类似的功能样件，意味着可以在设计阶段早期就识别出设计错误，以及对工艺过程进行优化。之前预计开发这种零部件需要约6个月，实际只花费了1个月。

（3）采用增材制造可实现绿色制造，用铣削等机加方法加工飞机零部件制造会导致95%的原材料浪费，而用激光熔融工艺，浪费大约只有5%左右。

（4）采用增材制造，对中小批量零件的制造成本具有积极影响。为实现规模经济，相比大批量制造，飞机制造中的批量因素更加至关重要。相比传统制造工艺，增材制造技术不仅消除了工具成本，还具有更高的设计自由度。

（5）采用增材制造技术还能够开发诸多涉及安全的部件，比目前使用的零部件更经久耐用。因为采用增材制造技术的零部件配以合适的热处理技术后，零部件具有更高刚度、更低韧性。

（6）在未来，采用增材制造技术使得在不同的地点按需制造备件也成为可能。一旦遇到零部件失效，备件可以在当地直接生产。这种分散化生产网络可以减少运输距离和交付时间，另外，飞机中与维护相关的停机时间和检测时间也可缩短。

（7）增材制造技术可以生产出及其精细的骨骼、多孔类零部件，使得未来飞机制造中，将增材制造与仿生学结合，实现飞机零部件的仿真学设计制造，进一步提高飞机安全性。

参考文献

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