3D打印技术在航空航天领域应用浅析

2016-02-05唐雁宇

中国设备工程 2016年16期

关键词：增材航空航天成型

唐雁宇

（北京市海淀实验中学，北京 100089）

3D打印技术在航空航天领域应用浅析

唐雁宇

（北京市海淀实验中学，北京 100089）

3D打印技术被誉为“第三次工业革命”的技术核心。本文针对3D打印技术在航空航天制造领域所发展出的不同工艺特点进行了对比分析，对3D打印技术在国内外航空航天制造领域的应用进行了介绍。

3D打印；航空航天；制造技术

0 引言

3D打印技术自问世之初，便广受世界各行各业的生产制造技术领域追捧，经过30多年的发展，如今已成为推动世界先进制造业发展的源动力之一，被誉为“第三次工业革命”的核心技术。美国材料与试验协会（American Society for Testing and Materials, ASTM）在广泛、深入研究的基础上，对3D打印技术进行了规范化的定义，指出该技术也即是增材制造技术(Additive Manufacturing，AM)。

航空航天制造业是先进制造技术应用和发展的代表，3D打印技术在航空航天制造技术中表现出了蓬勃的生命力，在国内外的航空航天制造中得到了快速发展。

1 航空航天制造中的3D打印技术工艺特征

随着3D打印技术的兴起和发展，各国纷纷投入大量的人力物力发展3D打印技术，目前，航空航天制造领域的研究主要包括两个方面：其一是零件模型及验证部件的快速制造，主要针对非金属材料类，采用的工艺方法包括熔融沉积法、立体光刻法、分层实体制造和3D印刷法等；其二是针对金属材料的零部件、大型整体结构的制造，采用的工艺方法包括直接金属烧结技术、选择性激光烧结、激光快速成型以及电子束熔化等。

不同成型工艺具有不同的特征，如：立体光刻法成型精度高、成型实物强度和硬度高，可以彩色成型，但成型后表面粗糙；熔融沉积法成型速度快，成本较低，然而精度不高；选择性激光烧结成型工艺简单，柔性度高，材料适用面广（金属、陶瓷以及塑料），精度高；分层实体制造法的模型支撑性好，成本低，效率高。然而，不管哪种工艺，基于 “增加、堆积”方式发展起来的3D打印技术一般均具有：快速性、低成本、材料适用范围宽、高柔度性、高集成化等几个工艺特征，与传统技术相比显示了极大的优势。

2 3D打印技术在国外航空航天制造领域的发展

航空航天尖端制造领域是3D打印技术的重要应用领域之一。1993 年以来，欧美发达国家纷纷制定了发展和推动3D打印技术的国家战略和规划，3D打印技术已受到政府、研究机构和企业的广泛关注。美国在3D打印领域研究较早，一些著名高校和研究机构，如美国Sandia国家实验室、Los Alamos国家实验室、宾夕法尼亚大学、AeroMet公司等，很早就投入到3D打印技术的研发中。2012年，美国政府宣布将投资10亿美元用于美国制造体系的改革，美国国家增材制造创新联盟2014年资助的15个项目中60%与航空航天直接相关。英国政府自2011年开始持续增加对3D打印技术的研发经费，2014年资助考文垂大学6000万英镑，建设开发航空部件的国家增材制造中心；德国、法国、瑞士等国也投入了大量资金，通过优惠政策等推进国家在3D打印技术领域的发展。

国外3D打印技术领域在众多科研机构、科技公司及政府支持下，在航空航天制造领域的工程应用取得了长足发展。（1）在航空制造领域的应用。美国的 AeroMet公司完成了激光快速成形钛合金机翼结构件的地面性能考核试验；美国Optomec Design 公司采用3D打印技术进行了飞机发动机零件的磨损修复，取得了很好的效果；波音公司利用3D打印技术制造了大约300种不同的飞机零部件。（2）在航天制造领域的应用。美国喷气推进实验室与红眼公司合作，打印出了气象、电离层和气候星座观测系统-2（COSMIC-2）卫星的功能天线阵结构。美国航空喷气-洛克达因公司与美国格伦研究中心及马歇尔航天飞行中心，近两年针对通过3D打印技术生产的火箭发动机喷嘴在3316℃高温下进行了一系列点火试验。

欧洲航天局和欧盟设立了迈向零废弃物和高科技金属产品的高效生产的增材制造（AMAZE）项目，旨在将第一台3D金属打印机运至国际空间站。

3 3D打印技术在国内航空航天制造领域的发展

国内3D打印技术的发展起步于20世纪90年代，多所高校和研究机构（如清华大学、西安交通大学、北京航空航天大学、西北工业大学、中航重机激光、北京殷华等）持续关注并开展了3D打印技术的研发和应用研究。2012年，中国3D打印技术产业联盟成立，同年，工信部联合中国工程院制定了我国3D打印技术的技术路线图与中长期发展战略；2015年，工信部制定并发布了《国家增材制造发展推进计划》，该计划中指出了中国发展3D打印事业的主要目标：到2017年初步建立增材制造技术创新体系，培育5至10家年产值超过5亿元、具有较强研发和应用能力的增材制造企业，并在全国形成一批研发及产业化示范基地等。本次规划的重点发展方向为五点：第一是金属材料增材制造，第二是非金属材料增材制造，第三是医用材料增材制造，第四是设计及工艺软件，第五增材制造装备关键零部件。

在国家政策的大力扶持下，我国的3D打印技术在航空航天先进制造领域取得了一系列成绩。中航工业一飞院在北京航空航天大学的协助下，将全三维数字化设计技术与最新的3D打印技术相结合，打印出了多个满足强度、刚度和使用功能要求的飞机部件。成都飞机工业（集团）有限责任公司在针对机翼涡轮叶片修复过程中使用了3D打印技术。北京航空航天大学王华明教授团队采用 3D 打印技术制造的某战机钛合金主承力构件加强框投影面积达5.02m2，本次制造装机评审顺利通过，标志着我国成为目前世界上唯一掌握飞机钛合金大型主承力结构件激光快速成形技术并实现装机应用的国家。