3D打印技术在航空制造领域的发展初探

赵凯王大源

(天津航空机电有限公司天津300300)

摘要：在现代社会中，科学技术的应用对于促进社会发展越来越发挥重要作用。进入新世纪以来，我国的航空事业得到了快速发展，成为促进经济领域发展中一种重要的交通运输产业。基于3D打印技术的诞生，为工业领域带来了具有强大冲击力与划时代意义的技术革命，为新一轮工业革命的开展带来了契机，其在航空制造领域中的应用，提升了其领域的制造水平。本文以3D打印技术与航空制造领域为研究对象，主要论述了3D打印技术在航空制造领域中的应用状况。

关键词：3D打印技术；航空制造；应用进展

一、3D打印技术的诞生与发展

3D打印技术最初由美国人发明，诞生于上世纪的八十年代，由“立体光刻”技术发展而来。这种技术是借助数字信息像复印机一样复制出具有三维立体形式的物体模型，然后将树脂在紫外线照射下就会凝固成形，从而制造出真实可见的物体。随后在几年间由来自美国麻省理工研究院的众多专家将这种技术加以创新，将其申请为专利，并逐渐推向市场，从此其技术应用范围越加广泛。基于其技术具有材料利用率高等特点，各领域对其发展应用给予了高度重视，对技术的推广同样给予了十足的信心。其技术是3D模型通过被设计扫描后，以某个坐标轴为基点，按照一定的方向将模型切成若干个剖面，打印出这些剖面，按照三维尺寸与一定的顺序堆积起来，等比例的实体给人以立体感官的模型形成，经过对模型的再加工制造形象直观的物体得以出现。

从世界范围内来看，没有任何一个国家的3D打印技术可以与美国相提并论，美国确实是这个方面的先驱，敢于将其技术投入到新领域应用当中，随着技术的不断发展，开始在电子产品、汽车工业等多种领域中得到广泛应用，更高端的航空制造领域也逐渐开始应用该项技术。在欧美的一些国家中，在商业运行模式初步形成的前提下，此技术以良好的效果在航空制造领域中得到应用推广。美国是全球最先发明3D打印技术的国家，将其技术应用在民用领域的全球第一家企业是日本佳能，应用在单反相机的壳体制造上，镁铝合金制造成曲线面，以形成相机的顶盖。3D打印技术在我国的航空制造领域的应用并不是一帆风顺，由于航空工业发展历程漫长曲折，航空技术与西方国家存在着巨大差距，但是伴随科技的迅猛发展，航空制造技术也得到了快速发展，3D打印技术的传播范围越来越广，日臻完善，使得越加在航空制造工业中得到应用推广。经过多年来的共同致力研究，我国的3D打印技术已不再显得落后，利用此项技术发展而来的净成型加工技术对于航空制造发挥了重要作用。

二、3D打印技术的优势

（一）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。

（二）灵活快速

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。

三、3D打印技术在航空制造领域的应用优势

（一）实现从设计到制造过程的无缝链接

对于航空设备零部件的制造，对其材料的选择等方面采用传统制造方式是相互独立的，在制造过程中由于从设计到制造这个过程各工序流程之间是相互独立的关系，彼此之间的联系不是很紧密，前后衔接不通畅，导致返工或者拖延制造时间的问题不可避免地出现，3D打印技术的出现很好地解决了这些问题，能够将设计、材料选择等各个模块融汇成一个整体，共同分享一个数据平台，对各方意见实时反馈，从而实现从设计到制造全过程的无缝链接。

在设计、制造与维护全过程中3D打印技术得到了有效应用，在设计阶段通过其技术制造出等比例形式的模型；在制造阶段应用其打印技术将关键零部件制造出来；在维修阶段利用技术把同一材料填补残损部位，节约了大量的时间与成本投入，零件性能不受影响。

（二）激光打印大型钛合金构件的问世满足了主承力的要求

由我国自主设计的钛合金关键构件激光成形技术在国际重大博览会上展出，并得到了全球的瞩目。经多年的研究探索，航空设备的制造技术水平日渐完善，关键工艺的性能控制方法日趋成熟，综合力学性能大为提升，截止到目前为止，利用激光打印技术我国制造了三十多种关键金属零件，在歼击机与大型客机的制造上都有着广泛应用。

（三）材料损耗率低

航空工业使用的材料绝大多数是强度非常高的合金，具有工艺成本高与不易成形的缺点。以军用飞机为例，其主要材料要求具有耐高温、耐腐蚀等优点，钛合金整体结构为结构重量的降低，装备的性能寿命提高越加发挥重要的作用，采用传统的制造工艺方法工序长而且复杂，这就造成材料的大量浪费。3D打印技术的出现，作为一种前沿技术，通过激光快速成形技术大大节省了材料，而且材料性能大为提高，借助3D打印技术发展而来的钛合金激光成形技术，在先进战机制造上所占据的比例越来越多。

四、3D打印技术在航空制造领域的应用进展

（一）产品制造的直接参与

因为通过3D打印技术打印出来的工件在各指标上都能够满足零部件生产制造的需求，所以此项技术可以直接用于产品制造。以目前应用现状来看，依靠其技术打印出来的军用飞机零部件性能可靠，无论是从美国，还是从我国的航空设备来说，3D打印材料在机体中都有广泛的涉及，这足以说明该种技术具备了产品制造直接参与的能力。

（二）对产品外形的验证

随着现代社会国际的交往日益密切，现代交通运输业的发展，航空工业得到了长足发展，对于航空设备的内部设计与外部形态提出了更高要求。传统工艺以单独的形式制造设备零部件，这势必会造成材料的浪费。而3D打印技术具有高柔性操作的特点，通过数字化系统的运用，重新对材料以全新的形式进行组合，避免了结构材料等材质浪费严重现象的产生。

（三）制造出陶瓷基符合材料

金属基与陶瓷基复合材料能够通过激光烧结技术制造出来，陶瓷材料具有耐高温与强度高的优点，同时具有材质脆与弹性差的缺点，纤维能够弥补陶瓷材料的缺点，在航空制造领域中的应用具有前瞻性。

结语：3D打印技术对于人们比较陌生，但多少在电视媒体中目睹过通过3D打印技术打印出来的物体。这种技术能够将平面形状的物体打印成立体形状，实质上是一种新型的增材制造，集合了光学数控等学科技术，在航空制造领域中得到了广泛应用。

参考文献：

[1]刘金畅.3D打印技术以及应用趋势[J].电脑知识与技术，2014，（34）：8315-8316.

[2]木戎.当3D打印遇上航空业[J].上海信息化，2015，（03）：22-25.