3D打印在航空航天领域中的应用初探

江洪 刘敬仪

3D打印技术是目前受到较多学科和学者关注的一项新型技术，现已经被广泛应用到建筑、航空航天、医药等诸多领域中.本文通过梳理近10年国内外3D打印在航空航天领域中的应用的相关文献，将这些相关文献主要归纳为2个方面：一是具体应用探索；二是应用发展与问题分析，以期从这2个方面为相关学者提供有意义的参考。

本文采用王元桢对3D打印技术的概念解释：3D 打印技术是一种新的技术，有别于以减材加工为主要思想的传统加工技术，3D 打印技术的主要思路是增材加工。该技术最初起源于19世纪末的美国，但因为技术限制一直没有得到较大的发展，直到20世纪 80 年代开始才有了大幅度的推广与应用，3D 打印技术传入我国后，也得到了许多科研工作者的重视，并且在一些领域取得了不可小觑的成就，因其具有如节能节材、制造周期短、不受零件复杂程度限制等优点，所以在一定程度上推动着民生和科研各个领域的发展[1]。

1 具体应用探索

Kroll E和Artzi D主要展示了快速原型（Rapid Prototyping，RP）模型提供的好处，指出其可以用于风洞测试作为四年级航天工程学生项目的一部分，并讨论了克服3D打印技术带来的一些困难的方法，采用基于聚合物的RP用于制造2架飞机模型，包括加强金属嵌件的方法。对某亚音速风洞进行了试验。将最终结果与分析性能预测进行了比对，得出低成本快速原型风洞模型产生了满意的空气动力学性能，在采购成本和时间上的节省使得在严格的学术预算和时间表框架内将实际测试纳入飞机设计过程成为可能的结果。此外还发现以下实际影响：①进行实际风洞测试对学生的教育经验有重大贡献；②然而，当金属模型制作是唯一的选择时，这种方法很少被采用；③相比之下，RP通过提供一种快速和负担得起的模型制造方法，促进并增强了现实的学习体验[2]。

朱伟军等人主要进行了基于3D打印的舵面可调实用化飞机风洞模型的设计与试验，认为飞机风洞试验模型的设计和加工作为风洞试验的重要环节，对飞机研制的周期和成本皆产生重要的影响。为进一步提高飞机研制的效率，他们提出了基于3D打印技术的实用化飞机风洞模型的设计和制造方法，具体采用了3D打印加工树脂气动外壳和机加工金属强化骨架的复合结构方案，对某型号飞机的低速全机测力模型进行了设计与测试。此外，他们还提出了变角片和旋转轴——定位销2种舵面偏角方案，为降低因为装拆磨损带来的树脂精度损失而设计了内嵌金属套筒，最后根据试验结果得出以下结论：①在气动结果对比中，发现3D打印技术能够对实用化模型进行加工，可用于型号飞机的研制；②在经济性分析方面，3D打印技术加工可以有效影响飞机设计工作者对模型快速设计和加工的需求，可以有助于提高飞机设计效率，对提高模型在风洞中的共振安全性有十分重要的意义；③在技术限制方面，主要提到2个方面的内容，一是使用树脂的可靠性需要进一步验证，二是需要进一步验证大展弦比、大升力机翼模型制造的可行性[3]。

Sunil C.Joshi和Abdullah A.Sheikh介绍了3D打印在航天领域及其长期可持续性，2位学者注意到航空航天界已经对3D打印技术产生了较为浓厚的兴趣，并对航空航天领域的3D打印技术进行了总结，探讨了其优于传统制造工艺并且更受欢迎的诸多方面，同时还探讨了专门为航空航天应用开发的材料及其特性，对3D打印在世界各地不同的公司与组织正在进行的活动进行了调查。此外，他们还重点介绍了外太空印刷方面的项目工作，也提出了3D打印工艺操作虽然简单，但在材料的种类、质量和数量上依然存在一定的局限性，指出了当下微重力3D打印相关的挑战，最后对航空航天工业的未来发展趋势进行了展望[4]。

刘磊、刘柳和张海鸥3人探讨了3D打印技术在无人机制造中的应用，提到2011年8月1日，由英国南安普敦大学的工程师设计并试飞的世界上第一架“打印”出来的名为SULSA的无人驾驶飞机，标志着无人机制造进入了3D打印时代，其具有标志性意义的原因是其整架飞机都采用了3D打印技术。3位学者还分析了3D打印技术应用于无人机制造的必然性，主要集中在以下6个方面：①3D打印技术的成熟为无人机制造可以提供坚实的技术基础；②传统工艺逐渐无法满足无人机的发展趋势；③经济效益促使无人机制造选择3D打印；④3D打印技术的时效性是独有优势，也是无人机制造的需求；⑤大量复合材料的使用为3D打印技术提供了发挥空间；⑥3D打印技术具有绿色环保的优势，绿色环保是世界各国努力的共同方向。林割爱还介绍了3D打印技术在无人机制造的应用现状，主要分为整体打印无人机和打印无人机关键部件这2种，此外，对3D打印技术在无人机制造中的应用趋势进行了展望，指出其将朝高精度化、高智能化和通用化等方向发展[5]。

谭立忠和万芳2位学者探究了3D打印技术在国外航空航天领域的最新进展，并在方法研究、平台研究和行业标准化等方面进行了详细分析，发现其在以上几个方面皆取得了较为显著的进展，3D打印市场也保持着快速增长的良好发展态势。此外，国外3D打印技术还得到了政府与军方的大力支持，应用范围也从零部件到整机实现了较大拓展，应用深度也开始趋向“前段”部署。最后，2位学者在探索的基础上提出了3D打印技术在传统制造工艺对复杂形状的限制方面进行了突破，很大幅度上降低了生产的成本，带来了生产加工观念的革命性转变，极大地推动了全球航空航天领域的发展，因此，3D打印技术在航空航天领域的应用将是“渐进式”而不是“革命性”的[6]。

丁红瑜等学者通过探索3D打印技术在骨科医疗植入物方面的应用，找出其对民用飞机结构件适航认证的啟示，发现3D打印技术在民用航空领域的应用较其在骨科医疗植入物方面略微晚一些，而适航认证流程是一个较重要的阻碍因素，因此零件装机应用的实现必须严格遵循民用航空法规的要求与整个适航认证流程相匹配。针对探索实际情况，最后给出3方面的借鉴和参考：①进行结构件的适航认证应尽量选择Ti6Al4V合金、AlSi10Mg合金、UL-TEM 9085树脂等材料，但随着更多材料被陆续开发，选材的范围也会随之扩大，技术的进步也会带来更多的选择；②从结构件的服役条件来看，3D打印结构件的考核指标除了关注其尺寸精度和表面粗糙度等性能外，还应该考虑其显微组织特征、缺陷形态及分布情况等因素，从而保证其可以在全寿命周期内皆可以稳定地发挥其功能；③在适航认证的流程方面出发，申请方应了解3D打印的材料——结构一体化的特征，邀请适航审查当局从源头中加入，双方有效沟通，从而避免做无用功[7]。

韩寿波等学者主要对航空航天用的高品质3D打印金属粉末进行了研究与应用方面的探索，察觉到近些年金属3D打印的飞速发展，總结出高品质金属3D打印设备主要采用的粉末补给方式为铺粉型或同轴送粉型2种，并从纯净度、粉末粒度分布、粉末形貌与粉末流动性和松装密度这4个主要性能指标展开进一步说明。同时他们还介绍了金属粉末的制备工艺，有氩气雾化法（AA法）、等离子旋转电极法（PRER法）、等离子火炬雾化制粉技术和包含同轴射流水-气联合雾化法在内的其他3D打印用金属粉末制备技术。此外，在粉末形貌、粉末粒度分布、粉末氧含量这3个方面进行了粉末特性的比较，并发现AA法和PRER法制备的粉末性能较优异，已经在航空航天领域得到了成功应用。同时他们也指出PRER法在制备超细球形粉末时收得率并不高，生产效率相对较低，还需优化工艺，进一步提高超细球形金属粉末的收得率，以提高PREP法金属粉末的性价比，从而使其适应各类型3D打印设备[8]。

林旭斌和王晖娟2位学者主要根据国外3D打印技术的应用进展，介绍了该技术在高超声速飞行器的分系统、零部件等多个层级产品上的应用。首先介绍了美国轨道ATK公司（Orbital ATK）对一型高超声速战斗部成功进行了爆破，该战斗部主要以3D打印为制造方式，其具有5个主要部件，其中3个都是由3D打印方法所制备，其成功制备与试验也实现了高超声速技术的一项重要突破，同时也在高超声速发展过程中具有里程碑的意义。其次，笔者介绍了轨道ATK公司对一型通过3D打印技术制造的燃烧室进行了风洞试验，且该型燃烧室的成功制备得益于引入3D打印技术，采用的3D打印方法是“粉末床熔融”法。最后，在高超声速材料层级方面介绍了美国空军实验室（AFRL）完成了对一种由3D打印成型的碳氧化硅材料的风洞测试。该类碳氧化硅具备的优秀性能，有达到航空器动力系统与高超声速飞行器的大型构件的使用要求的希望。通过上述实际案例的介绍与分析，学者们最后得出3D打印制造方法与传统的等材制造等方法具有本质的区别，也对未来3D打印技术在零部件快速维修和快速批量生产等方面体现的独一无二的优势做出了展望[9]。

2 应用发展与问题分析

R.Bogue曾经在2013年的时候对现有的3D打印技术和其应用做了较为全面的介绍，提到了3D打印在近些年的发展之迅速，已应用至航空航天等多个与人类生活息息相关的领域，并且为人类生活带来便利。同时，他们通过对3D打印技术及其相关应用的梳理，得出了以下结论：3D打印技术可用于各种不同的材料，除了在过去占主导地位的快速原型设计，它们现在正被用于不同行业的各种制造应用中，畅想未来，3D打印可能会改变许多产品的开发和生产方式，并预示着一个“个人制造”的时代[10]。

吴复尧等学者主要探讨了3D打印技术在国外航空航天领域的发展动态，学者们指出在航空航天领域，3D打印技术可以主要集中为2个方面：①零件模型制造、演示验证部件和铸造模具的快速制造，原材料一般为非金属，如塑料等，工艺方法通常为光固法（SL）、分层实体制造（LOM）、熔融沉积法（FDM）和三维印刷法（3DP）等等，该方面的技术已实现工程化应用；②结构和功能性零部件的快速制造，属于时下较热的研究点，国外已发展成熟的金属零件快速成形技术有选择性激光烧结（SLS）、激光快速成形（LSF）、电子束成形（EBM）等等。而不论是哪种3D打印技术，一般都具有以下工艺特点：①快速性；②低成本；③不限制制作原型所用的材料，可以使用各种金属和非金属材料；④可适用于加工各种形状的部件；⑤具有高柔性；⑥高集成化，同时学者们提到英美等国已经陆续制定了有关于发展和推动增材制造技术的国家战略和规划，美国的波音公司与洛马公司、法国的SAFRAN公司、英国的罗·罗公司、意大利的AVIO 公司等多家世界知名企业都开展了3D打印技术在航空航天领域的应用研究。此外，美国军方已利用3D 技术成功试制出了导弹弹出式点火器模型，并且取得了良好效果，学者们认为未来在航空航天领域方向，3D打印技术的的发展将集中于异型复杂结构制造、小批量、短周期、低成本制造、新材料新结构研制等方面，以期实现从航天制造向航天创造的跨越式发展[11]。

柳建等学者探索了国内3D打印行业的发展现状，在航空航天领域方面，提到国内西北工业大学的黄卫东团队采用了LENS对金属零件进行了直接制造，并且已经成功地对航空发动机叶片进行了再制造修复，北京航空航天大学的王华明教授已经成功开发出飞机大型整体钛合金主承力结构件激光快速成形工程化成套装备，这也成形出世界范围内最大的钛合金飞机主承力结构件。而位于成都的致力于打造国家航空产业3D 打印示范基地——增材制造（3D 打印）产业技术创新联盟的成立，也为3D打印技术与航空航天事业更好地结合提供了研究平台和广阔空间。但同时应注意到，3D打印依然存在一些问题，如设备昂贵、尚不成熟的金属零部件直接打印、精度不够等问题[12]。

吴复尧、邱美玲和王斌这3位学者主要研究了3D打印无人机的现状并分析了尚存问题.学者们指出无人机零部件的制造因无人机性能指标的逐步提高而对先进材料和制造工艺提出了更高的要求，在国外，如英国的一家先进制造中心（AMRC）便结合3D打印制造出一款无人机，此无人机的发动机采用了天然气涡轮机。随后，弗吉尼亚大学的研究人员也是利用3D打印技术制造了一架巡航速度可达到83 km/h，机翼宽为1.98 m的无人机，美国的Solid Concepts民营公司，更是采用3D打印技术在一夜之间制成了多种型号的无人机机身和机翼等，根据已有案例可预想3D打印无人机的未来是十分广阔的，但也存在一些亟待解决的问题，如零部件的结构形式采用3D打印技术制造优势并不明显甚至可以说是不存在优势、无人机采用的一些材料还不能进行3D打印、3D打印处于发展阶段，工程方面的探索存在一定的风险性、缺乏3D打印技术的专业人才等[13]。

韩淑芬、陈伟伟和于洁3位学者则主要从3D打印高分子材料为着手点，探究了聚乳酸 （PLA）、聚己内酯（PCL）、聚醚醚酮 （PEEK）、聚碳酸酯（PC） 和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料 （ABS） 等材料在3D打印技术中的应用，并对这些材料相对应的改性方法和改性材料的应用性能加以梳理，得出若改性和扩充已有的3D打印材料，3D打印产品将可以被广泛用至医疗、生物组织工程和航空航天等诸多领域领域，而3D打印技术也将成为一种主要的塑料加工技术。其中，航空航天领域的塑料制造可以通过改性具有较差生物相容性的材料以提高其力学性能的方式进行3D打印[14]。

陈双、吴甲民和史玉升3位学者则是对3D打印材料和其应用进行了概述，其中提到航空航天領域可以使用钛及钛合金作为较理想的材料，因钛及钛合金具有较高的比强度、良好的耐热性、耐腐性和生物相容性等优良特点。目前3D打印钛及钛合金的种类有纯Ti、Ti6A14V（TC4）和Ti6A17Nb，此外，镍基合金因其在650～1000℃高温条件下具有较高的强度和一定的抗氧化腐蚀能力的特点也可以成为航空航天领域的一个较好选择，而值得注意的是3D打印陶瓷材料因其具有有别于聚合物和金属材料的特点：较高的硬度、能耐高温、物理化学性质稳定等也可以被应用于航空航天领域中，而未来，将有更多优良材料运用至3D打印中，也将为航空航天领域发展贡献力量，但同时应注意到需解决3D打印材料的标准化和产业化方面存在的难题[15]。

3 结语

3D打印在航空航天领域中的应用随着时代的前进也在发生一定的变革，从单一部件的打印到完整物件的打印，这期间必将经历诸多挫折，凝聚更多研究者们的心血，攻克更多的难关，但随着技术的不断发展与进步，可用于3D打印的材料会逐渐增多，性能也将越来越高，3D打印技术与航空航天事业也必将碰撞出更多精彩“火花”，突破传统，走向新未来！

参考文献

[1] 王元桢.3D打印技术应用简介[J].中国设备工程，2018（15）：169-170.

[2] KROLL E，Artzi D.Enhancing aerospace engineering students learning with 3D printing wind-tunnel models[J].Rapid Prototyping Journal，2011，17（5）：393-402.

[3] 朱伟军，李涤尘，任科，等.基于3D打印的舵面可调实用化飞机风洞模型的设计与试验[J].航空学报，2014，35（2）：400-407.

[4] JOSHI S C，Sheikh A A.3D printing in aerospace and its long-term sustainability[J].Virtual and Physical Prototyping，2015，10（4）：175-185.

[5] 刘磊，刘柳，张海鸥.3D打印技术在无人机制造中的应用[J].飞航导弹，2015（7）：11-16，49.

[6] 谭立忠，方芳.3D打印技术及其在航空航天领域的应用[J].战术导弹技术，2016（4）：1-7.

[7] 丁红瑜，黄洁，马超，等.3D打印技术在骨科医疗植入物方面的应用及其对民用飞机结构件适航认证的启示[J].材料导报，2017，31（S1）：83-85.

[8] 韩寿波，张义文，田象军，等.航空航天用高品质3D打印金属粉末的研究与应用[J].粉末冶金工业，2017，27（6）：44-51.

[9] 林旭斌，王晖娟.3D打印技术在高超声速技术领域的应用研究[J].战术导弹技术，2018（4）：105-109.

[10] BOGUE R.3D printing： the dawn of a new era in manufacturing [J].Assembly Automation，2013，33（4）：307-311.

[11] 吴复尧，刘黎明，许沂，等.3D打印技术在国外航空航天领域的发展动态[J].飞航导弹，2013（12）：10-15.

[12] 柳建，雷争军，顾海清，等.3D打印行业国内发展现状[J].制造技术与机床，2015（3）：17-21，25.

[13] 吴复尧，邱美玲，王斌.3D打印无人机的研究现状及问题分析[J].飞航导弹，2015（10）：20-25.

[14] 韩淑芬，陈伟伟，于洁.3D打印高分子材料研究进展[J].工程塑料应用，2017，45（10）：146-150.

[15] 陈双，吴甲民，史玉升.3D打印材料及其应用概述[J].物理，2018，47（11）：715-724.