航空航天工业

航空航天引入3D打印的必要性

航天航空技术是当今世界最具影响力的高新科技之一，而航天航空制造技术是航天航空技术的重要组成部分，其发展水平对于飞机、火箭、导弹和航天器等航天航空产品的可靠性增强与使用寿命延长，综合技术性能的完善，研制和生产成本的降低，甚至总体设计思想能否得到具体实现，均起着决定性作用。同时，航天航空制造技术是集现代科学技术成果之大成的制造技术，集中代表了一个国家的最高制造业水平和技术实力，是衡量一个国家科技发展综合水平的重要标志之一。
3D打印技术在航天航空领域的应用优势
第一，实现复杂难加工零件的制造。航天航空装备关键零部件的外形和内部结构通常较为复杂，铸造、锻造等传统制造工艺难以精准加工，而金属3D打印技术无需像传统制造技术一样研发零件制造过程中使用的模具，能让让高性能金属零部件，尤其是高性能大结构件的制造流程大为缩短，这将极大的缩短产品研发制造周期。国防大学军事后勤与军事科技装备教研部教授李大光表示上世纪八九十年代，要研发新一代战斗机至少要花10-20年的时间，而如果借助3D打印技术及其他信息技术，最少只需3年时间就能研制出一款新战斗机，因为3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件。
第二，显著提高材料利用率。航天航空装备对材料的性能和成分要求十分严苛，而材料的极大浪费也就意味着机械加工的程序复杂，生产时间周期长。传统制造方法对材料的使用率很低，一般不会大于10%，甚至仅为2%-5%，对于难加工的技术零件，加工周期会大幅度增加，制造周期明显延长，从而造成制造成本的增加。3D打印技术可以轻松地加工高熔点、高硬度的高温合金、钛合金等难加工材料，且3D打印加工过程中对材料的利用相对充分，只需进行少量的后续处理即可投入使用，材料的使用率达到了60%，有的可达90%以上，可以节约原材料且显著的降低制造成本。
第三，可有效实现零件减重。减重是航天航空武器装备永恒不变的主题,不仅可以使飞行装备在飞行过程中更灵活，而且可以减少载重量，节省燃油，降低飞行成本。但是传统的制造方法已经将零件减重发挥到了极致，想再进一步发挥余力，已经不太现实。但是3D技术的应用可以在保证性能的前提下优化复杂零部件的结构，减少零部件数量，实现零部件的整体制造，无需焊接、铆接等组装工艺，经变换重新设计，将复杂结构设计成简单结构，从而起到减轻重量的效果。而且通过优化零件结构，能使零件的应力呈现出最合理化的分布，降低疲劳裂纹产生的危险性，从而提高零部件的结构强度、增强完整性和可靠性等性能、增加使用寿命。战机的起落架是承受高载荷、高冲击的关键部位，这就需要零件具有高强度的抗冲击能力。美国F16战机上使用3D技术制造的起落架，不仅满足使用标准，而且平均寿命是原来的2.5倍。
第四，可快速修复零部件破损部分。在航天航空领域，重大装备造价昂贵，如果使用过程中出现零部件损坏或零件尺寸不合要求等问题，将造成很大经济损失。此时，选择利用3D打印技术修复零部件破损部分，使整体装备快速投入使用是明智的。以高性能整体涡轮叶盘零件为例，当盘上的某一叶片受损，则整个涡轮叶盘将报废，直接经济损失价值在百万之上。在以前，这种令人心痛的损失可能不可挽回，但是基于3D打印逐层制造的特点，我们只需将受损的叶片看作是一种特殊的基材，在受损部位进行激光立体成形，就可以回复零件形状，且性能满足使用要求，甚至是高于基材的使用性能。由于3D打印过程中的可控性，其修复带来的负面影响很有限。事实上，3D打印制造的零部件更容易得到修复，匹配性更佳。相较于其他制造技术，在3D修复过程中，由于制造工艺和修复参数的差距，很难使修复区和基材在组织、成分以及性能上保持一致性。但是在修复3D成形的零件时就不会存在这种问题了。修复过程可以看作是3D打印过程的延续，修复区与基材可以达到最优的匹配。这就实现了零件制造过程的良性循环：低成本制造+低成本修复=高经济效益。
国内外应用现状
因为3D打印的诸多优势，国内外在此领域的研究屡有突破。国内方面，中国航天科技集团公司与上海航天设备制造总厂联合研制出一款多激光3D打印机，目前已成功打印出卫星星载设备的光学镜片支架、飞机研制过程中用到的叶轮等构件。这些构件有的形状极其不规则，有的微小而复杂，如果采取传统加工技术，不仅造价昂贵、废品率高，甚至难以加工生产，而这台3D打印机很快就能打印出来。成都航利集团利用3D打印技术进行飞机发动机叶片修复，开展了数字化仿真、寿命评估等前沿理论研究和再制造技术预算，创建了国内第一套具有国际先进水平的航空发动机再制造技术和工程管理体系，使按引进标准不能修复的3万余件关键零部件得到再生，实现了军用航空发动整机性能升级，成为航空发动机精密零件世界级生产基地和供应商，并建成国内首个“航空发动机再制造技术应用研发中心”。国外方面，美国航空航天和军火承包商Aerojet Rocketdyne日前成功完成MPS-120 Cube

3D打印在航空航天的凸显优势