3D打印技术在航空领域中的应用前景
时间：2017-06-19 10:20 来源：南极熊 作者：中国3D打印网 阅读：次
3D打印技术是在上世纪70年代末期开始出现，主要应用于产品研制阶段的“快速原型”和生产阶段的“快速制造”。3D打印技术与曾经应用于工业生产的堆焊工艺方法相似，之所以称为3D打印，就是在成型工艺上采用CAD和计算机3D模型数据，将两维基材通过不同融合方式组合成三维结构。用在航空生产上的工艺方法主要有激光近净成形技术(LENS)、激光选区熔化技术(SLM)及电子束选区熔化技术(EBSM)。
世界上第一架采用喷气动力的3D打印无人机
3D打印复杂框类结构毛坯的减重效果比较明显，如F-22最大面积锻造结构框的毛坯重量为2790千克，毛坯加工后的净重量只有144千克，材料去除比例达到了95%！如果按照已经能够验证的工艺要求制造盘形复杂结构零件，锻造工艺无法直接制成细节结构，材料利用率只有毛坯重量的约10%。铸造则可以完成部分细节的粗略成型，毛坯实际利用率可达到总重量的20%~25%。3D打印可以直接制成与成品接近的外形，考虑到外表加工工艺和材料品质要求，成品零件可以达到毛坯总重的60%~70%，材料利用率和机加工效率都有很大提高。
相对的，铸造成型模具的再利用效果比较好，成品芯型能进行批量毛坯的制造。锻造的锻压模具成本虽然很高，工艺设备标准要求也高，但锻造也有利于进行批次生产毛坯的成型。3D打印采用增材制造的工艺手段，无论只制造1个还是批制造100个，单件的生产时间和成本均没有任何差异，零件的成型工艺要求和品质控制则更为严格。
3D打印与其它制坯方式的对比
现阶段3D打印技术的航空应用主要集中在金属结构，以坯材成型加工难度大的钛合金和合金钢为主，加工难度低的铝材则更适合采用锻铸方式成型。3D打印航空零件的应用已比较广泛。国外用于F-22的3D成型TC4接头已经达到2倍设计疲劳寿命，F/A-18的翼根吊架结构强度达到设计要求的225%，疲劳寿命也达到4倍设计要求，C-17等型号的进气道附件也都开始批量应用3D打印，部分3D打印件已能在现有机型制造中替代钣金和精铸件。
中国在航空3D打印方面取得了很大的成绩，已有多个型号应用3D打印的承力结构，达到了缩短制造周期和简化工艺的效果，对产品减重的作用也比较明显，宣传资料中甚至有过减重40%的说法。国内很多军迷仅根据这个40%和类似说法，就对航空结构减重抱有很大希望，而这个40%虽然理论上存在可能，但要受到非常严格的条件和应用限制。
SLM制成品的尺寸精度较高，但成型体结构密度控制效果不好，难以承受高载荷的结构效应，承力结构的3D打印主要采用的是LENS。按照已经公开的3D打印整体框架坯材外形对比，3D打印件毛坯重量大致只有锻造的15%，这是3D打印的技术优势，但坯材减重比并不代表最终制成品的重量对比。飞机的整体结构框架的设计要考虑到轻巧、坚固，以及工艺和成品机械/理化性能的一致性，结构设计必须严格满足标准化的要求，不同机型类似结构的设计并没有大的差异。
展览上公开的3D打印承力框架制成品，结构设计与锻造框架并没有任何差别，区别仅体现在毛坯成型的工艺方式。3D打印的LENS和SLM工艺均已比较成熟，无论是采用激光还是电子束作为能量源，无论是使用粉材还是丝材作为基材，材料本身的理化条件并不会因为加工方式不同而变化。按现有技术，近净成型烧结的材料理论密度比锻造低近1%，选区熔化方式成型的粉末材质密度相对较小，与锻造件的密度差别也在3%以内，工艺实现条件越好材料密度差异就越小。
无论采用什么样的3D成型方式，同样零件的材料性能如果没有大的差别，零件的制成品重量就不会存在明显的差别。所以说，3D打印坯材加工方式取得的减重效应非常有限，考虑到目前3D打印的材料性能还不够完善，相比成熟的锻造结构容限保险设计更多，同样设计结构件的净重甚至还要重些。
按照已公开的数据看，3D打印钛合金零件的成品件，抗拉强度和硬度已达到锻件的标准，但疲劳寿命和裂纹容限受工艺影响较大，未来相当时间里还缺乏全面替代锻造的条件。美国飞机制造中大量应用整体锻造框架，对高风险的3D打印的应用不够积极，就是考虑到了制成品寿命和质量控制困难的因素。中国在新机制造上应用3D打印承力结构的同时，还投入很大资金和技术力量开发大型锻压机，也是因3D打印无法解决大型制造成品的批生产要求。3D打印与锻/铸造各有优势，只要航空设计和生产体系还基于传统工业技术，锻/铸和轧压仍将是主要工艺成型手段，3D打印的结构减重效应就很难得到体现。
基于制造技术突破的减重措施
按照减重标准对比，3D打印的密度与锻造的差异不到1%，而要实现避免缺陷和改善材料性能的目标，密度差异其实是越小越好。按照实际生产条件去对比，某简单框架的成品重量如果接近300千克，模锻件毛坯重量大致在2700千克左右，3D打印的框架毛坯重量可以降低到接近500千克，但成品重量与锻造的理论区别还不到1千克，仅比整体机械加工的尺寸误差换算值略大。所以说，从成品重量这个最终指标去对比，3D打印减重效果几乎可以忽略不计。
那么宣传资料中减重40%的说法是怎么来的？这要从飞机结构工艺去说明。现代航空制造的金属成品结构越复杂加工难度就越高，很多组合曲面结构还必须依靠数控设备加工。第三代之后的先进战斗机采用翼身融合气动设计，很大程度上改善了飞机的结构强度和设计性能。这种设计其实在上世纪30年代就已经存在，但在喷气战斗机应用前期没使用。融合体结构框架存在大量连续曲面，制造这些曲面的工艺难度非常大，角度控制和表面连续性加工工艺要求高，很难依靠普通机加工设备成批制造。数控设备在上世纪70年代大量应用后，三轴数控机床成为曲面加工的手段，飞机也就开始更多利用结构曲面改善气动设计。
3D打印无人机侧视
连续曲面变角度结构势必会产生半封闭空间。设计师在设计机体结构时必须考虑到可加工因素，半封闭或封闭复杂结构难以整体成型加工，必须分解成多个独立的可加工零件，采用组合件的方式满足结构外形与工艺的要求。组合件的问题是每个零件都必须满足独立强度要求，结构件和桁条等结构也要保证独立承力的厚度。采用铆接和螺接组合零件时，标准件紧固位置的孔强度还必须高于零件强度。如果要用螺栓固定某根壁厚2毫米的L型型材，每个螺栓孔位置的厚度要超过平均厚度，如果采用铆钉则需要平均分布多个铆钉孔。
世界上第一架采用喷气动力的3D打印无人机
3D打印复杂框类结构毛坯的减重效果比较明显，如F-22最大面积锻造结构框的毛坯重量为2790千克，毛坯加工后的净重量只有144千克，材料去除比例达到了95%！如果按照已经能够验证的工艺要求制造盘形复杂结构零件，锻造工艺无法直接制成细节结构，材料利用率只有毛坯重量的约10%。铸造则可以完成部分细节的粗略成型，毛坯实际利用率可达到总重量的20%~25%。3D打印可以直接制成与成品接近的外形，考虑到外表加工工艺和材料品质要求，成品零件可以达到毛坯总重的60%~70%，材料利用率和机加工效率都有很大提高。
相对的，铸造成型模具的再利用效果比较好，成品芯型能进行批量毛坯的制造。锻造的锻压模具成本虽然很高，工艺设备标准要求也高，但锻造也有利于进行批次生产毛坯的成型。3D打印采用增材制造的工艺手段，无论只制造1个还是批制造100个，单件的生产时间和成本均没有任何差异，零件的成型工艺要求和品质控制则更为严格。
3D打印与其它制坯方式的对比
现阶段3D打印技术的航空应用主要集中在金属结构，以坯材成型加工难度大的钛合金和合金钢为主，加工难度低的铝材则更适合采用锻铸方式成型。3D打印航空零件的应用已比较广泛。国外用于F-22的3D成型TC4接头已经达到2倍设计疲劳寿命，F/A-18的翼根吊架结构强度达到设计要求的225%，疲劳寿命也达到4倍设计要求，C-17等型号的进气道附件也都开始批量应用3D打印，部分3D打印件已能在现有机型制造中替代钣金和精铸件。
中国在航空3D打印方面取得了很大的成绩，已有多个型号应用3D打印的承力结构，达到了缩短制造周期和简化工艺的效果，对产品减重的作用也比较明显，宣传资料中甚至有过减重40%的说法。国内很多军迷仅根据这个40%和类似说法，就对航空结构减重抱有很大希望，而这个40%虽然理论上存在可能，但要受到非常严格的条件和应用限制。
SLM制成品的尺寸精度较高，但成型体结构密度控制效果不好，难以承受高载荷的结构效应，承力结构的3D打印主要采用的是LENS。按照已经公开的3D打印整体框架坯材外形对比，3D打印件毛坯重量大致只有锻造的15%，这是3D打印的技术优势，但坯材减重比并不代表最终制成品的重量对比。飞机的整体结构框架的设计要考虑到轻巧、坚固，以及工艺和成品机械/理化性能的一致性，结构设计必须严格满足标准化的要求，不同机型类似结构的设计并没有大的差异。
展览上公开的3D打印承力框架制成品，结构设计与锻造框架并没有任何差别，区别仅体现在毛坯成型的工艺方式。3D打印的LENS和SLM工艺均已比较成熟，无论是采用激光还是电子束作为能量源，无论是使用粉材还是丝材作为基材，材料本身的理化条件并不会因为加工方式不同而变化。按现有技术，近净成型烧结的材料理论密度比锻造低近1%，选区熔化方式成型的粉末材质密度相对较小，与锻造件的密度差别也在3%以内，工艺实现条件越好材料密度差异就越小。
无论采用什么样的3D成型方式，同样零件的材料性能如果没有大的差别，零件的制成品重量就不会存在明显的差别。所以说，3D打印坯材加工方式取得的减重效应非常有限，考虑到目前3D打印的材料性能还不够完善，相比成熟的锻造结构容限保险设计更多，同样设计结构件的净重甚至还要重些。
按照已公开的数据看，3D打印钛合金零件的成品件，抗拉强度和硬度已达到锻件的标准，但疲劳寿命和裂纹容限受工艺影响较大，未来相当时间里还缺乏全面替代锻造的条件。美国飞机制造中大量应用整体锻造框架，对高风险的3D打印的应用不够积极，就是考虑到了制成品寿命和质量控制困难的因素。中国在新机制造上应用3D打印承力结构的同时，还投入很大资金和技术力量开发大型锻压机，也是因3D打印无法解决大型制造成品的批生产要求。3D打印与锻/铸造各有优势，只要航空设计和生产体系还基于传统工业技术，锻/铸和轧压仍将是主要工艺成型手段，3D打印的结构减重效应就很难得到体现。
基于制造技术突破的减重措施
按照减重标准对比，3D打印的密度与锻造的差异不到1%，而要实现避免缺陷和改善材料性能的目标，密度差异其实是越小越好。按照实际生产条件去对比，某简单框架的成品重量如果接近300千克，模锻件毛坯重量大致在2700千克左右，3D打印的框架毛坯重量可以降低到接近500千克，但成品重量与锻造的理论区别还不到1千克，仅比整体机械加工的尺寸误差换算值略大。所以说，从成品重量这个最终指标去对比，3D打印减重效果几乎可以忽略不计。
那么宣传资料中减重40%的说法是怎么来的？这要从飞机结构工艺去说明。现代航空制造的金属成品结构越复杂加工难度就越高，很多组合曲面结构还必须依靠数控设备加工。第三代之后的先进战斗机采用翼身融合气动设计，很大程度上改善了飞机的结构强度和设计性能。这种设计其实在上世纪30年代就已经存在，但在喷气战斗机应用前期没使用。融合体结构框架存在大量连续曲面，制造这些曲面的工艺难度非常大，角度控制和表面连续性加工工艺要求高，很难依靠普通机加工设备成批制造。数控设备在上世纪70年代大量应用后，三轴数控机床成为曲面加工的手段，飞机也就开始更多利用结构曲面改善气动设计。
3D打印无人机侧视
连续曲面变角度结构势必会产生半封闭空间。设计师在设计机体结构时必须考虑到可加工因素，半封闭或封闭复杂结构难以整体成型加工，必须分解成多个独立的可加工零件，采用组合件的方式满足结构外形与工艺的要求。组合件的问题是每个零件都必须满足独立强度要求，结构件和桁条等结构也要保证独立承力的厚度。采用铆接和螺接组合零件时，标准件紧固位置的孔强度还必须高于零件强度。如果要用螺栓固定某根壁厚2毫米的L型型材，每个螺栓孔位置的厚度要超过平均厚度，如果采用铆钉则需要平均分布多个铆钉孔。
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