3D打印技術(shù)在航空維修中的應(yīng)用研究

姜舟，任斌斌

（三亞航空旅游職業(yè)學(xué)院，海南 三亞 572000）

3D打印技術(shù)在航空維修中的應(yīng)用研究

姜舟，任斌斌

（三亞航空旅游職業(yè)學(xué)院，海南 三亞 572000）

近幾年，3D打印技術(shù)發(fā)展迅速，在很多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。作為當前新興技術(shù)，3D打印技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊。本文從3D打印技術(shù)的定義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、應(yīng)用前景展開綜合分析，對3D打印技術(shù)在航空維修的應(yīng)用進行研究，探討3D打印技術(shù)在航空維修中的可應(yīng)用性。

3D打印；航空維修；增材制造

1 概述

3D打印技術(shù)又稱增材制造技術(shù)，是減材制造之后發(fā)展起來的一種快速成形技術(shù)。利用產(chǎn)品3D模型數(shù)據(jù)，進行逐層分切打印并疊加，最終形成完整的產(chǎn)品。它在加工制造過程中基本不產(chǎn)生任何廢棄物，在貴重稀有金屬的加工中優(yōu)勢突出，尤其是在航天制造領(lǐng)域。近幾年，3D打印技術(shù)被廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品、生物醫(yī)療、模具制造、航空等領(lǐng)域，目前已經(jīng)打印出建筑模型、藝術(shù)品、巧克力、細胞、骨骼、牙齒、器官、汽車、發(fā)動機、無人機、飛機起落架、火箭發(fā)動機噴嘴等產(chǎn)品，在成本、周期、質(zhì)量等方面取得顯著效益，特別是在航空領(lǐng)域的發(fā)展，引起相關(guān)人員高度重視。航空領(lǐng)域發(fā)展過程，隨著飛機數(shù)量不斷增加，航空維修至關(guān)重要，在確保航空安全前提下，如何有效地降低航空維修成本是每個航空公司都在研究的課題。

2 3D打印技術(shù)在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

在3D打印技術(shù)行業(yè)，歐美最為發(fā)達。在航空航天領(lǐng)域，波音、空客、通用電氣都將3D打印技術(shù)作為戰(zhàn)略性技術(shù)來研發(fā)。近年來，3D打印技術(shù)在金屬零部件的制造上取得重大突破。2015年3月，美國Carbon3D公司開發(fā)了一種新型3D打印技術(shù)-連續(xù)液面生長技術(shù)，利用平衡紫外光和氧氣在液體介質(zhì)中熔化物體，來創(chuàng)造可調(diào)諧的光化學(xué)實現(xiàn)3D打印，取代了現(xiàn)行的一層一層機械化成形零件。打印的零部件最小尺寸可小于20 μm。相對于傳統(tǒng)3D打印技術(shù)，該技術(shù)可以打印超復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)，打印速度比傳統(tǒng)3D打印技術(shù)快幾十倍。2016年1月，美國西北大學(xué)研發(fā)了新的金屬3D打印法，這種兩步法能夠更經(jīng)濟、快速、均勻的打印金屬混合物、金屬氧化物、合金等多種金屬，采用一種由金屬粉末、溶劑和粘結(jié)劑組成的液態(tài)油墨材料，通過注射或擠壓工藝打印出坯體，之后在熔爐里燒結(jié)。

自20世紀90年代，清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)等高校就開始對3D打印技術(shù)進行研發(fā)，并取得一些列研究成果。目前，我國3D打印技術(shù)已基本實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，中國航空航天領(lǐng)域發(fā)展迅速，其部分技術(shù)已處于世界領(lǐng)先水平。中航成飛與沈飛計劃將在戰(zhàn)斗機殲-20和殲-31中通過3D打印技術(shù)制造鈦合金主體結(jié)構(gòu)件，大幅減輕飛機結(jié)構(gòu)的重量，提高可靠性。值得一提的是，國產(chǎn)大客機C919在設(shè)計制造過程，西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點實驗室下設(shè)的激光制造工程中心利用3D打印技術(shù)制造出機翼中央翼緣條，無錫飛而康快速制造科技有限公司通過3D打印技術(shù)完成機身的登機門、貨艙門以及服務(wù)門的23個鈦合金零部件的打印。可見，3D打印技術(shù)對國產(chǎn)大客機C919的研發(fā)工作和制造有著重要作用。2015年7月，在北京舉辦的“國防科技工業(yè)軍民融合發(fā)展成果展”中，北京航空航天大學(xué)的展板介紹了近50件3D打印的大型關(guān)鍵鈦合金、超高強度鋼構(gòu)件。這些構(gòu)件通過了大型客機、大型運輸機、艦載機、新型火箭等裝備的動強度、靜強度、疲勞壽命、震動、沖擊等全尺寸零件試驗測試。可以看出，通過3D打印技術(shù)制造的零部件滿足航空維修領(lǐng)域的使用要求，越來越多打印出的零部件將用于航空領(lǐng)域。

3 3D打印技術(shù)在航空維修中的應(yīng)用

3.1 航空維修現(xiàn)狀分析

隨著飛機數(shù)量的增加，在確保航空安全前提下，如何有效地降低航空維修成本、提高資源管理、增加經(jīng)濟效益是每個航空公司都在研究的課題。而阻礙課題研究的問題就是航材問題。航材管理方式對降低維修成本至關(guān)重要，但我國航空公司在航材管理上存在以下幾個問題。

（1）航材庫存不足。航材保障只針對一些常見故障，如遇到特殊狀況，不能在國內(nèi)航材庫及時借調(diào)到所需航材。將造成故障無法短期排除，導(dǎo)致故障保留或飛機停場。

（2）航材庫存過量。隨著飛機數(shù)量的增加，擴大航材采購及儲備可保證航班正常運行，在標準的航材儲備環(huán)境，超過5年會有金屬件銹蝕現(xiàn)象；超過10年大量的硫化封嚴就會失效 ，航材過量存儲將造成資金積壓，直接影響航空公司的經(jīng)濟效益。

（3）航材供應(yīng)鏈管理問題。航材供應(yīng)鏈管理是指將航材的生產(chǎn)與修理廠商、專門的航材保障部門及基層機務(wù)維修部門組成的航材供應(yīng)鏈綜合一體通過密切各級節(jié)點間的協(xié)調(diào)合作關(guān)系達到縮短航材供應(yīng)時間、加快航材周轉(zhuǎn)、 降低航材保障費用、優(yōu)化航材保障資源配置的管理模式。因為訂貨、供應(yīng)、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)導(dǎo)致供應(yīng)鏈變長或者中斷，航空維修將得不到保障。

3.2 3D打印技術(shù)在航空維修中的應(yīng)用優(yōu)勢

在航空維修中，其零部件的制造加工要求非常多，如減輕重量、縮短研制周期、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、延長使用壽命、提高經(jīng)濟性等。3D打印技術(shù)在很短時間內(nèi)就能打印出所需零部件，既不需要存儲大量零部件，也不需要大規(guī)模的生產(chǎn)線，制造出來的零部件適合用于多品種、小批量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、原材料價值量高的結(jié)構(gòu)制造。因此，3D打印技術(shù)用于航空維修，主要有以下應(yīng)用優(yōu)勢。

（1）解決航材庫存問題。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，從產(chǎn)品全過程分析，3D打印技術(shù)使零部件只需保存電子文檔，不再需要制造出來存在倉庫，不需要大量生產(chǎn)，大幅度降低航材庫存過量、不足的問題。

（2）減輕重量、縮短研制周期。據(jù)統(tǒng)計，很多情況下3D打印技術(shù)只需要傳統(tǒng)制造法1/10的材料。而且3D打印技術(shù)生產(chǎn)出的零件更加精細輕盈，作為增材制造技術(shù)，可以實現(xiàn)無焊接、鉚接等組裝工藝，減少螺栓連接件，較傳統(tǒng)的切削加工技術(shù)，重量得到減輕。3D打印技術(shù)將復(fù)雜形狀的設(shè)計方案通過計算機圖形數(shù)據(jù)快速加工生成實體產(chǎn)品，從而研制周期得到縮短。

（3）縮短供應(yīng)鏈。隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，該技術(shù)在航空維修領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛應(yīng)用。在實施維修過程時，需要更換什么零部件，只需把它打印出來。按照需要制造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件、確保交貨時間的同時，3D打印技術(shù)通過摒棄生產(chǎn)線，將縮短生產(chǎn)周期、縮短產(chǎn)品供應(yīng)鏈，從而大幅降低維修成本。

（4）在結(jié)構(gòu)件維修中的應(yīng)用。3D打印技術(shù)可以根據(jù)零部件的3D數(shù)字模型，對老舊或損傷零部件進行維修與工裝。目前，國內(nèi)外已經(jīng)有采用3D打印技術(shù)對復(fù)雜結(jié)構(gòu)件進行維修的實例。特制的3D打印機則可根據(jù)相應(yīng)3D建模技術(shù)中所存儲的完好零件的形狀與尺寸，對損傷部分進行噴印修復(fù)。對于磨損程度未達到更換標準的備用件，諸如磨損的軸承、發(fā)射車輪胎部件,也可以通過3D打印技術(shù)進行小范圍的修補，大大降低更換零部件的成本。

4 結(jié)語

綜上所述，作為當前的一種新興技術(shù)，3D打印技術(shù)正在使傳統(tǒng)工藝發(fā)生深刻變革。與歐美國家相比較，我國3D打印技術(shù)尚未發(fā)展成熟，尤其在航空維修領(lǐng)域的應(yīng)用相對較少。我們應(yīng)把握住新一輪產(chǎn)業(yè)變革的重大機遇。采用3D打印技術(shù)進行零部件的制造可解決航材庫存問題、降低維修成本、縮短研制周期以及簡化供應(yīng)鏈。它將對推動航空維修領(lǐng)域的發(fā)展起到了重要作用。但該技術(shù)仍面臨一些棘手問題，如打印材料、仿真設(shè)計、質(zhì)量監(jiān)控、知識產(chǎn)權(quán)、信息安全等問題。隨著3D打印技術(shù)的迅速發(fā)展，相信不久的將來可以通過計算機建立一個關(guān)于航空維修3D圖像數(shù)據(jù)庫，3D打印技術(shù)在航空維修中的應(yīng)用是完全可以實現(xiàn)的。

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