把飛機“打印”出來

沈海軍

CST-100載人飛船“靈感火星”太空船

3D打印技術又稱“增材制造技術”，實際上是一類利用光固化、紙層疊或熔融沉積等手段的新型快速成型技術。3D打印技術最早出現在20世紀90年代，它與普通打印工作原理有類似之處：3D打印機（裝置）內裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層累積起來，最終把計算機上的虛擬模型變成實物。

這種技術已經在珠寶、工業設計、建筑工程和施工、汽車、牙科和醫療產業、教育、地理信息、土木工程、槍支制造等領域開始應用。對于航空航天領域來說，3D打印仍然是一項非常前沿的制造技術。但是近幾年，一些全球領先的航空制造企業已開始逐漸涉足這一領域，成果頻出。

走向應用

在多數人眼里，3D打印還是一個新生事物，其實早在30年前，研究人員已經開始醞釀關于3D打印的設想。從20世紀70年代誕生到現在，3D計算機輔助設計經歷了飛躍式發展，已成為廣大設計人員的有力助手?？焖俪尚图夹g的發展幾乎與3D計算機輔助設計的發展同步，人們從使用3D計算機輔助設計的那天起就希望能夠方便地將設計“轉化”為實物，因此也就有了發明3D打印機的想法。

在目前的3D打印機行業中，美國Z公司和斯特塔西公司兩家是理所當然的“巨頭”。Z公司源起于1994年。當時，幾個來自麻省理工學院的技術專家發明了3D打印技術并申請了專利。1997年，他們為將3D打印技術推向市場，成立Z公司。從那時起，Z公司就一直占據著3D打印機市場的半壁江山。斯特塔西公司成立于1990年，以研發基于熔融沉積技術的快速成型機見長。由于熔融沉積技術的3D打印機具有得天獨厚的優勢，適合汽車、家電、電動工具、機械加工、精密鑄造及工藝品制作，因此斯特塔西公司的產品也在全球3D打印機市場占據了巨大份額。

成果頻出

本世紀以來，3D打印進入快速成長期。2011年6月，英國南安普頓大學的研究者利用3D打印技術制作了一架翼展約2米、最高時速可達160千米的小型飛機。這也是世界上第一架3D打印且可飛行的飛機。2013年1月，中國的王華明聯合研發團隊打印出了大型飛機整體鈦合金關鍵構件，并且憑借“3D激光快速成形技術”獲得中國的國家技術發明一等獎。2013年5月，同濟大學利用3D技術打印出的微小飛機試飛成功。2013～2014年，中國一家自動控制研究所在某復雜傳感器外殼的再造實驗中獲得成功，并開始了某型慣導臺體3D打印的生產加工（現代飛機和導彈上都有慣導臺體。所謂“慣導”，就是利用物體慣性來制導的儀表，最常見的為陀螺儀。所謂“慣導臺體”就是安裝慣導的支架）。2014年，美國霍尼韋爾成功地利用3D打印技術生產出了單晶鑄件，并裝配至TFE731-60型發動機的渦輪葉片上。這款發動機正為達索旗下的獵鷹900公務機提供動力?，F在，空客公司在A380飛機的客艙里已經使用了3D打印的行李架;“臺風”戰斗機中也使用了3D打印的空調系統。最近，空客公司提出了“透明飛機概念”計劃，并制定了一張“路線圖”。該公司計劃從打印飛機的小部件開始，一步一步發展，希望最終在2050年前后用3D打印機打印出整架飛機來。

一場革命

隨著3D打印技術逐步向實際應用階段過渡，它將為航空制造業帶來巨大的技術變革。

首先，新型航空產品的研發將伴隨3D打印技術的發展而加速發展。從事過產品設計的人都知道，設計時僅僅考慮產品功能是遠遠不夠的，還需要考慮工藝可行性、產品檢驗、品質保證等等。3D打印，特別是金屬3D打印，使相關核心件的設計完全擺脫了工藝制約。鑄造不了、鍛造不了、機械加工不了的復雜構件，對于3D打印都不是障礙。長期以來，在我國航空工業，人們不是不知道采用什么樣的結構可以讓航空器實現更優秀的性能，但工藝技術的落后使得人們即使知道應該做成什么樣，可受制于制造業水平，有心無力，很難在實際生產中做出想要的產品。從這個角度看，金屬3D打印技術解除了對設計人員的巨大束縛，產品研發由此變得相對簡單快捷。

其次，3D打印技術大大節省了產品樣件研制的費用。在傳統的新產品開發中，制造樣件是必不可少的步驟。前提是需要有樣件的模具。在產品最終定型前，模具不需要耐用，成本可適當降低，但降低幅度相對有限。在隨后的多次試驗中，人們往往需要根據試驗結果修改設計，修改后要再做模具、再試驗，如此重復10次甚至更多次是很正常的。在這一過程中，模具制作時間幾乎要占據一半以上的產品開發時間，試驗所需時間約占30%的產品開發時間;在模具制作中，模具制造費用也要占到產品開發成本的50%～70%;其他為試驗費用、研發人員工資等;模具完成后，樣件的加工成本則幾乎可以忽略不計。以美國第四代殲擊機F22為例，一種機型的開發費用就達數百億美元，其中大部分開支就花在模具制造上面。3D打印技術則使產品開發擺脫了樣件模具加工制作環節，設計制作出的樣件與成熟產品并無二致，人們不再需要天價的模具費用投入。與此同時，樣件制作時間甚至可縮短為原來的數十分之一。

第三，3D打印技術可以顯著減輕飛機的結構重量。減輕結構重量是飛機研制的基本技術需求，這直接關系到飛機的燃油經濟性。長期以來，傳統制造技術已經被發揮到接近極限，難以再有更大的作為。過去，對于大型復雜構件，傳統商用制造工藝無法完成，必須拆為幾個部件來做，然后再進行組合。如今，3D打印可以實現零部件一次成型，這不僅增加了零部件的完整性，同時也有助于減輕零部件的重量。此外，通過金屬3D打印高性能增材制造技術，還可以在獲得同樣性能或更高性能的前提下，通過最優化設計來顯著減輕金屬結構件的重量。

第四，3D打印技術可顯著節約昂貴的戰略金屬資源。由于對高性能有著近乎苛刻的要求，航空器需要大量使用鈦合金等高性能、難加工的貴金屬材料。但是，很多貴金屬材料的利用率卻非常低，多數低于10%，有時甚至僅為2%～5%。大量昂貴的金屬材料變成了難以再利用的廢屑，同時伴隨著極大的機械加工量。作為一種高性能近凈成型技術，金屬3D打印高性能增材制造技術可以把高性能金屬零件制造的材料利用率提高到60%～95%，甚至更高，同時機械加工量將顯著減少。

短板與局限

3D打印作為一種神奇的技術，具有得天獨厚的優勢。與此同時，也有許多缺點限制了它在航空領域中的廣泛使用。

首先是技術門檻很高。

3D打印特別是金屬材料的3D打印，近年來在技術上取得了突破。但其技術準入門檻依然很高。歐美發達國家企業在這項研究中耗時多年，仍只能做一些小零件，制作稍大些的零件時極易出現產品缺陷。打印中，關于保護氣氛（金屬打印要在惰性氣體，譬如氮氣環境下實施，這樣可以防止打印過程中發生氧化）、溫度控制、材料成分顆粒度和純凈程度、打印速度、激光功率及光斑尺寸調整等指標都有嚴格規定，相關參數的調節，非經培訓的專業人員根本無法完成。以北京航空航天大學王華明教授組的3D打印設備為例，該機器的激光器在國內不能生產，必須從美國進口。一旦使用3D打印技術生產軍用物品，很可能被掌握專利技術的發達國家“卡脖子”。

二是產品打印制造成本很高。

仍以王華明教授的3D打印設備為例，該機器的成本現在為2000萬元/套，一年可加工8噸產品。根據工業生產的特點，產品批量制造后，機器成本有可能降到每套500萬元甚至是200萬元。目前打印出來的產品價格為1萬元/千克，其中材料費不足1000元/千克。毛利率為90%多。但通過類比，我們發現：目前汽車發動機的制造成本為80～100元/千克，汽車的成本為50～100元/千克，普通工業（金屬）制成品的價格與之類似或更低。這一價格只有3D打印價格的1/100。因此，用3D打印替代傳統工藝進行大批量生產，并不現實;也許只有為追求性能而不惜成本的軍用航空產品才可以考慮這么做。

三是3D打印產品的質量問題。

和傳統加工方式相比，3D打印材料性的強度、剛度、機械加工性等仍不夠成熟。由于采用層層疊加的增材制造工藝，各層之間的黏結即使再緊密，通常也無法和傳統工藝零件相媲美。這意味著在一定外力條件下，打印出來的部件更容易失效。近日，華中科技大學材料學院史玉升教授在接受采訪時表示，部分3D打印金屬產品強度性能上可接近同類鍛造產品的水平。但是，要真正作為飛機的主要結構受力構件，3D打印技術生產出的產品仍不足以令人放心。

此外，由于3D打印是一層一層“堆積”的，雖然每層都很薄，但在微觀尺度下，打印物體的表面仍會留下一級級細小的“臺階”，形成所謂的“臺階效應”?！芭_階效應”會造成產品精度上的偏差，導致產品表面工藝不夠精細，甚至需要進行二次加工。不幸的是，對于采用3D打印技術生產出的細長體或薄壁體金屬構件來說，二次加工往往又是極其困難的事情。

另外，3D打印過程中，打印頭下方的局部材料溫度很高，而周圍的材料溫度較低?！袄錈帷辈痪鶗沟么蛴◇w內部產生復雜應力，進而使打印體發生變形。這種現象對于通過3D技術打印出的大型構件來說尤為顯著。

總之，只有以上問題一一得到解決，3D打印技術才能在航空制造領域得到全面推廣。

【責任編輯】趙 菲