3D打印在航空航天领域的六大切入点

3D科学谷 王晓燕

航空工业在20世纪80年代就开始使用增材制造技术，之前增材制造在航空制造业只扮演了快速原型的小角色。最近的发展趋势是，在航空领域，3D打印正在进入产业化生产。通过3D打印（粉末床熔融技术）一体化高度复杂零件以及通过3D打印（定向能量沉积技术）替代锻造，成为航空企业又一轮的技术竞赛。而在航天领域，通过3D打印低成本可重复利用的下一代火箭发动机，已经引发新一轮的NASA与ESA竞赛。航空航天企业已经不再浪费时间去思考是否该采用3D打印技术，而是集中精力探索如何通过3D打印技术保持航空航天制造技术的领先性。

(图片来源：GE)

最典型的应用要属GE用增材制造的方法来生产喷油嘴，喷油嘴的设计可以避免“开锅”，或者是油嘴部位积碳。 GE声明该结构的喷油嘴几何形状只能通过增材制造的方法来生产。2010年空客将GE生产的LEAP-1A发动机作为A320neo飞机的选配，LEAP发动机中带有3D打印的燃油喷嘴。2015年5月19日，A320neo飞机首飞成功。装有LEAP发动机的A320neo 获得欧洲航空安全局（EASA）的认证和美国联航空管理局(FAA)的认证。

2017年10月初，GE航空宣布成功完成了T901-GE-900 涡轮轴发动机原型的测试。这款发动机属于美国陆军改进型涡轮发动机项目（Improved Turbine Engine Program,ITEP）的一部分。测试结果表明，GE T901发动机的性能达到甚至超过ITEP 项目的要求，已为发动机的制造做好准备。

应用在航空制造领域中的金属增材制造技术，除了像GE的喷油嘴所采用的粉末床熔融3D打印技术，还有其他的3D打印技术，以激光、电子束、等离子束或电弧为聚焦热能的定向能量沉积 （Directed Energy Deposition，DED）3D打印技术在一定程度上替代了锻造技术。

早在2003年，波音就通过美国空军研究实验室来验证一个3D打印的金属零件。这个零件是用于F-15战斗机上的备品备件。当需要更换部件时，3D打印的作用显现出来，因为通过传统加工的时间太长了，并且通过3D打印加工钛合金，替代了原先的铝锻件，而钛合金的抗腐蚀疲劳更高，反而更加满足这个零部件所需要达到的性能。当时这个零件是通过激光能量沉积的工艺，加工金属粉末来获得的，这种DED工艺被首次应用到军事飞机上。同时也打开了波音公司的3D打印应用之路。14年后，波音公司现在已有超过50 000件3D打印的各种类型的飞机零件。

波音公司开始通过DED技术为其787梦幻客机生产结构部件。通过挪威钛（Norsk Titanium）公司的快速等离子沉积技术，在结构件研发的过程中，双方共同改进工艺，并进行了一系列严格地测试，最终在2017年2月获得了首个3D打印钛合金结构件的FAA认证。

热塑性塑料以及基于材料挤出工艺的熔融沉积成形（Fused Deposition Modeling，FDM）3D打印技术，也被应用于飞机零件或备品备件的制造中，这方面的典型3D打印技术是Stratasys公司的ULTEM材料及其FDM 3D打印设备，这款材料以及用该材料3D打印飞机通风道的工艺在2015年通过了FAA标准。

无论是DED金属3D打印技术还是FDM这样的塑料3D打印技术，在航空制造中的应用都涉及到了备品备件的生产。商用飞机的使用寿命是30年，而维护和保养飞机的原制造设备是非常昂贵的。通过增材制造技术，测试和替换零部件可以在2周内完成，这些零件可以被快速运到需要维修的飞机所在地，省时省力地帮助飞机重新起飞。将来增材制造方式可以显著改变目前航空零部件的库存状态。把设计图纸输入到打印机，就可以快速制造出零部件，将大大降低航空零部件的库存。

在这方面，中国东方航空成为国内第一家将3D打印的客舱内饰件应用到商用客机中的航空公司。通过3D小批量打印，中国东方航空解决了过去易损零件订货周期长、成本高的问题，同时保障了公司机队的安全飞行，提高了旅客的乘坐体验。

此外，不再需要保有大量的零部件以备飞机维修需求，这些大量的零部件生产也是十分昂贵和浪费资源的。当然，对于旧机型，尤其是数据丢失的型号，保有原来的零部件还是需要的。

切入点1：性能更好的零件

仿生结构带来了材料使用率和力学性能的良好结合，这正是增材制造的价值所在，也是3D打印技术会走进航空制造业的重要原因。在空客（Airbus）机舱设计师的设想中，未来飞机的仿生结构将创造力量与材料分布的完美结合，光线充满整个空间，旅客可以全景观看舱外景色。设计师在最近几年打造的一款概念飞机中将这些仿生设计理念体现了出来，并且提出，在未来这款飞机的机舱将完全由一台有飞机库那样大的巨型3D打印机来打造。

（图片来源：空客）

虽然空客仿生机舱3D打印距离现实还比较遥远，但在现实中，有着类似设计理念和制造方式的机舱隔离结构已经进入到了生产阶段。空客的子公司APworks与欧特克公司的The Living设计工作室合作，为空客A320飞机开发了一个大尺寸的“仿生”机舱隔离结构。由选区激光熔融金属3D打印设备和新型超强、轻质合金材料制造而成。这些3D打印隔离结构已在2016年进行测试，计划安装在新的空客A320上，用于分隔客舱后部的食品准备区域。

“仿生”机舱隔离结构的亮点在于其仿生学设计，设计灵感来源于细胞结构，这种结构特别适合应用于有着高强度、低质量要求的航空零件。整个隔离结构是模块化的设计，其122个3D打印部件像“拼图”一样连接在一起。这样的设计不仅最大限度地减少材料的使用，而且具有高韧性的特点，其中一个或多个节点断裂的时候，并不影响整个网络的稳固性。

3D打印的仿生隔离结构比原来的结构轻了大约25kg，这一看似微不足道数字，如果从每架飞机的整个服役周期来计算的话，将累计减少的二氧化碳排放量将高达9.6万t。而如果未来将这样的3D打印仿生结构应用到整个机舱的制造，带来的二氧化碳排放量节省则更为惊人，相当于每年减少46.5万t的CO2排放量，相当于陆地上减少了9.6万辆汽车对大气的污染。可见，3D打印仿生结构的价值不仅仅在于自身对材料的节约，更在于对飞机能源的节约和环保的影响。

切入点2：轻量化

飞机上的小零件每减轻一点质量就会使飞机节省大量的燃油消耗。以一架起飞重量达65t的波音737 飞机为例，如果机身减轻一磅（45g）的质量，每年将节省数十万美元燃油成本。实现飞机减重的常见方式是使用质量更轻、性能更强的先进材料来替代现有材料。

(图片来源：牛津性能材料)

强度质量比优于铸造铝，高性能碳纤维部件的下一个目标是发动机性能结构件与高性能机翼部件。2017年， 牛津性能材料与劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）在碳纤维复合材料实现应用领域新突破。 牛津性能材料将其OXFAB 3D材料打印成飞机导向叶片。由于其惰性特点，OXFAB具有高度耐化学性和耐热性，既可以抵抗高速运转时的高温，同时抵抗火焰和辐射，这对于高性能的航空航天和工业零部件十分关键。通过镀镍工艺，牛津性能材料发现新材料可以达到介于钛合金与高性能航空铝的性能。

另一种减重方式是对现有飞机零部件进行轻量化设计，3D打印通过结构设计层面实现轻量化的主要途径有四种：中空夹层/薄壁加筋结构、镂空点阵结构、一体化结构以及异形拓扑优化结构。

无论是3D打印的发动机零部件，还是飞机机舱中的大型零部件，在航空制造业所进行的大量3D打印探索当中，相比上一代设计更加轻量化，几乎是这些零部件的共同特点。3D打印技术通过实现零部件结构设计层面上的突破而实现轻量化， 以最少的材料满足零部件的性能要求。

GE公司就曾通过拓扑优化设计和金属3D打印技术设计了一个轻量化的钛合金飞机发动机支架。负责零件拓扑优化设计与制造的3D Systems公司QiuckParts团队，通过Frustum拓扑优化软件对零件的材料分布进行了优化，最终在实现零部件功能的前提下保留尽可能少的材料，并通过光滑和混合表面的处理降低应力。GE航空对3D打印的零部件进行了力学测试，在实现零件减重70%的前提下，3D打印的钛合金支架满足GE 的零件负载要求。

对飞机发动机中的精密零部件进行设计优化，也是3D打印轻量化结构大有可为的领域。西安铂力特增材技术股份有限公司3D打印的航空发动机中空叶片原型，叶片总高度为933mm，横截面最大弦长183mm，内部中空，以21排成45的薄肋进行加固处理。铂力特采用金属3D打印技术一次成形制造，内部致密，整个叶片中空设计使得叶片质量减轻75%。

不仅仅是航空领域，在航天领域，中国航天科技集团五院总体部在通过3D打印实现轻量化方面已经拥有多年的经验，并且形成了面向增材制造技术的设计方法。在点阵结构胞元性能研究方面，中国航天科技集团五院总体部根据三维点阵的胞元形式的特点，结合三维点阵在航天器结构中应用的实际情况，提出了三维点阵结构胞元的表达规范，即通过胞元占据的空间并结合胞元杆件的直径来表达三维点阵结构胞元的设计信息。

（图片来源：铂力特-Bright Laser）

（图片：铂力特为中国航天科技集团五院总体部3D打印的微小卫星结构内部）

基于增材制造及点阵结构的典型微小卫星主结构：

尺寸包络：400mm×400mm×400mm；

承载能力：104kg；

结构重量：＜9kg；

制造周期：15天内。

切入点3：解决传统工艺无法加工的难题或在经济性方面替代铸造和锻造

在传统铸造工艺中，大尺寸和薄壁结构铸件的制造一直存在难以突破的技术壁垒。由于冷却速度不同，在铸造薄壁结构金属零件时，会出现难以完成铸造或者铸造后应力过大、零件变形的情况。这类零件可以转而使用选区激光熔融3D打印技术进行制造，通过激光光斑对金属粉末逐点熔化，在局部结构的得到良好控制的情况下保证零件整体性能。

（图片来源：铂力特-Bright Laser）

铂力特通过选区激光熔融设备制造的多层薄壁圆柱体，材料为镍基高温合金粉末，零件尺寸为 φ576mm×200mm，质量为15kg，壁厚最薄处仅2.5mm，φ576mm×200mm。该零件体现了选区激光熔融技术在制备大幅面薄壁零件方面的能力。与铸造工艺相比，采用金属3D打印技术直接制造零件，不需要提前制备砂铸造型，这使得制造周期大大缩短。铂力特制造的这款多层薄壁圆柱体时所花费的打印时间约为72h。

锻造生产是机械制造工业中提供机械零件毛坯的主要加工方法之一，飞机上锻件制成的零件质量约占飞机机体结构质量的20%～35%和发动机结构质量的30%～45%，是决定飞机和发动机的性能、可靠性、寿命和经济性的重要因素之一，锻造技术的发展对航空制造业有着举足轻重的作用。

随着航空产业不断的发展，对航空装备极端轻质化与可靠化的追求越来越急迫，锻造技术的瓶颈已逐渐显现，尤其在大型复杂整体结构件、精密复杂构件的制造，以及制造材料的节省方面。定向能量沉积（DED）3D打印工艺在航空航天制造业中的应用恰好弥补了传统锻造技术的不足，在飞机结构件一体化制造（翼身一体）、重大装备大型锻件制造（核电锻件）、难加工材料及零件的成形、高端零部件的修复（叶片、机匣的修复）等传统锻造技术无法做到的领域发挥出独特的价值。甚至有人认为3D打印技术可以替代锻造技术用于航空制造领域。

以电子束和等离子束为热能的定向能量沉积技术在近年来受到了航空航天制造企业的重视，这些技术被用于制造大型复杂整体零件的毛胚。波音通过Norsk Titanium公司的快速等离子沉积设备 3D打印的钛合金结构件已经进入了生产阶段。美国航空制造企业洛克希德·马丁空间系统公司（Lockheed Martin Space Systems Company）曾投资400万美元从Sciaky公司购买了一台基于电子束熔化焊接（EBAM）技术的 3D打印机，并用这台设备制造出直径近1500mm的燃料箱，削减了燃料箱的制造成本。

通过电子束熔化焊接技术的特点，可以了解到定向能量沉积3D打印工艺与锻造工艺的区别。电子束熔化焊接技术的3D打印材料为金属丝，并使用一种功率强大的电子束在真空环境中通过高达1000℃的高温来融化打印金属零部件。这种电子束枪的金属沉积速率达9.07kg/h。电子束定向能量沉积、逐层增加的方法创建出来的任何金属部件都近乎纯净。该技术也可以用于修复受损的部件或者增加模块化部件，并且不会产生传统焊接或金属连接技术中常见的接缝或者其他弱点。

在模锻工艺中需要用到模具，金属坯料在具有一定形状的锻模膛内受压变形而获得锻件。加上制造模具的时间，锻造的交货期与电子束融化焊接技术的交货期的差距就十分明显。这使得电子束融化焊接技术在航空航天行业关于小批量生产需求的零件制造方面独具交货期短的优势。

锻造和电子束融化焊接都是近净成形工艺，但电子束融化焊接更接近净型，加工过程中需要去除的材料更少。航空航天制造材料往往是昂贵的，而电子束融化焊接技术比锻造技术减少约50%的材料去除需求。而在后期的机械加工中，需要去除的材料少意味着切削刀具和切削液消耗量的降低，以及获得更少的加工时间。增材制造技术为材料节省所创造的价值， 在制造钛金属等昂贵飞机零件制造材料时显得尤为突出。

电子束融化焊接技术在加工的过程中能够实现实时质量控制，闭环控制系统通过监测构建参数保证质量达到要求，并可以通过调整能量的大小，保持一致的零件几何形状、化学和微观结构。

EBAM 设备还有一项具有潜力的配置——双丝。具有双丝配置的设备，从两个独立控制的送丝装置上料，实现同时加工两种不同的金属丝材。该配置使EBAM技术在制造梯度合金材料方面具有应用潜力。

也许，不仅仅航空航天行业需要定向能量沉积3D打印技术提供锻造服务的公司也可以考虑引入这类3D打印技术，将其与传统锻造工艺放在同一屋檐下，提供更优化的制造组合。

切入点4：零件修复

激光熔覆技术对飞机的修复产生了直接的影响。涡轮发动机叶片、叶轮和转动空气密封垫等零部件可以通过表面激光熔覆强化得到修复。关于激光熔覆技术（LENS技术）用于再制造，目前国内以西安铂力特以及北京王华明院士的团队为主要的3D打印服务提供方。

而激光熔覆技术本身也在获得不断的发展，2017年，德国Fraunhofer研究机构还开发出超高速激光材料沉积-EHLA技术，这项技术使得定向能量沉积技术所实现的表面质量更高，甚至达到涂层的效果。目前EHLA技术已经迅速的被德国通快商业化。

除了激光熔覆技术，冷喷增材制造技术正在引起再制造领域的注意。其中，GE就通过向飞机发动机叶片表面以超音速的速度从喷嘴中喷射微小的金属颗粒，为叶片受损部位添加新材料而不改变其性能。除了不需要焊接或机加工就能制造全新零件，冷喷技术，令人兴奋之处在于它能够将修复材料与零件融为一体，恢复零件原有的功能和属性。

（来源：Fraunhofer）

切入点5：高性能材料及梯度合金

1.高性能材料

3D打印不仅仅在碳纤维增强塑料以及玻璃纤维增强塑料方面大有可为，在金属材料的制备方面也颇具潜力。例如南京航空航天大学提供一种基于粉末床激光熔融3D打印技术成型的铝基纳米复合材料，用于激光增材技术领域，有效地解决铝基纳米复合材料在激光增材过程中工艺性能与力学性能不匹配、增强颗粒分布不均匀以及陶瓷相与基材相之间润湿性较差的问题，使得所获得的产品具备良好的界面结合以及优异的力学性能。

2.替代钎焊

在由多种合金制成的航天零件中，通常需要用到钎焊的工艺。钎焊主要是通过加热到一定温度使焊料熔化，从而把几种一样材质或不同材质的金属连接在一起。钎焊时一般都发生母材向液体钎料的溶解过程，可使钎料成份合金化，有利于提高接头强度。钎焊时也出现钎料组份向母材的扩散，扩散以两种方式进行：一种是钎料组元向整个母材晶粒内部扩散，在母材毗邻钎缝处的一边形成固溶体层，对接头不会产生不良影响；另一种是钎料组元扩散到母材的晶粒边界，常常使晶界发脆，尤其是在薄件钎焊时比较明显。

所以说两种金属材料的接头强度是一大加工难点。2017年，美国宇航局NASA成功测试了由两种不同金属合金制成的3D打印火箭发动机点火器。测试是在阿拉巴马州的马歇尔太空飞行中心完成的，这揭示了3D打印的另一大应用潜力：解决钎焊加工所面临的挑战。

传统上，关键的发动机部件是使用钎焊的复杂且费力的工艺制成的，钎焊是一种缓慢而昂贵的工艺，并且需要体力劳动和各种不同的步骤来配合完成。通过3D打印将两种金属材料打印成一个单一部件，NASA开辟了一种更高效、更经济有效的制造火箭发动机点火器的方法。

通过3D打印过程将两种材料分散熔合在一起，两种材料内部晶粒产生粘结，使得任何硬质过渡都被消除，从而零件不会在巨大的压力和温度梯度变化下发生断裂情况。

该零部件由铜合金和Inconel合金制成，通过DMG MORI（德马吉森精机）开发的混合3D打印工艺生产出来，点火器部件的高度为254mm、宽为177mm。

此外，DMG MORI的系统提供了一个独特的功能：用户可以选择在打印过程中对零件的内部进行CNC机加工。换句话说，3D打印机可以在增材制造和减材制造加工之间进行转换，从而在其组件的整个轮廓完成之前进行完善组件内部结构的精加工作业。

切入点6：4D打印

4D打印是指在第四维度形状或功能发生改变，换句话说，4D打印是指3D打印结构在打印完成后其形状和材料特性暴露在一个预先确定的刺激中的时候将发生功能或形状的改变。常见的刺激包括：水的浸没，暴露于热、压力、电流、紫外线等环境中。

国际上4D打印的研究集中在一些顶级的科研机构中——麻省理工的研究人员使用了模拟软件，通过建模模拟出颗粒结构增强的复合材料零件。经过仿真可以展示出对象究竟会对表面压力如何反应。而一旦仿真结果满足要求，零件将通过多材料3D打印机打印出来。这些产品具有间歇性和随机性的丰富多样的表面特征变化，包括可变波、折皱状的特征、平顶、谷底等，可以通过改变颗粒的无因次几何参数（例如：相对的颗粒大小、形状、间距和分布等）来获得。这些表面特征可以通过颗粒定位来实现变量可控。这项技术具有潜力的应用方向包括：伪装的制造；可以推进、吸引或引导液体流动的材料；可以应用到限制海洋生物在轮船底部堆积的反光材料或每隔一段时间移位的材料。

来自德国Freiberg的研发团队研发出面向未来的高性能材料：记忆性材料，可以自行愈合裂隙或回复原状。研究中心的设备是Arcam 公司的电子束熔融3D打印技术制造产带记忆功能的零件。这些零件就像弹力回形针，在发生歪曲时，只要把它们放到热水中，就能够恢复原来的形状。这个项目可以满足航空航天制造业的特殊需求，例如用来制造可调整的机翼结构，以适应不同的飞行情况。此外，液压传动系统中的大量复杂管道系统也是这一技术具有潜力的应用领域。

本文参考来源：航空制造网、GE、铂力特、空客、Fraunhofer。□