3D打印在航空航天領域的六大切入點

3D科學谷 王曉燕

航空工業在20世紀80年代就開始使用增材制造技術，之前增材制造在航空制造業只扮演了快速原型的小角色。最近的發展趨勢是，在航空領域，3D打印正在進入產業化生產。通過3D打?。ǚ勰┐踩廴诩夹g）一體化高度復雜零件以及通過3D打印（定向能量沉積技術）替代鍛造，成為航空企業又一輪的技術競賽。而在航天領域，通過3D打印低成本可重復利用的下一代火箭發動機，已經引發新一輪的NASA與ESA競賽。航空航天企業已經不再浪費時間去思考是否該采用3D打印技術，而是集中精力探索如何通過3D打印技術保持航空航天制造技術的領先性。

(圖片來源：GE)

最典型的應用要屬GE用增材制造的方法來生產噴油嘴，噴油嘴的設計可以避免“開鍋”，或者是油嘴部位積碳。 GE聲明該結構的噴油嘴幾何形狀只能通過增材制造的方法來生產。2010年空客將GE生產的LEAP-1A發動機作為A320neo飛機的選配，LEAP發動機中帶有3D打印的燃油噴嘴。2015年5月19日，A320neo飛機首飛成功。裝有LEAP發動機的A320neo 獲得歐洲航空安全局（EASA）的認證和美國聯航空管理局(FAA)的認證。

2017年10月初，GE航空宣布成功完成了T901-GE-900 渦輪軸發動機原型的測試。這款發動機屬于美國陸軍改進型渦輪發動機項目（Improved Turbine Engine Program,ITEP）的一部分。測試結果表明，GE T901發動機的性能達到甚至超過ITEP 項目的要求，已為發動機的制造做好準備。

應用在航空制造領域中的金屬增材制造技術，除了像GE的噴油嘴所采用的粉末床熔融3D打印技術，還有其他的3D打印技術，以激光、電子束、等離子束或電弧為聚焦熱能的定向能量沉積 （Directed Energy Deposition，DED）3D打印技術在一定程度上替代了鍛造技術。

早在2003年，波音就通過美國空軍研究實驗室來驗證一個3D打印的金屬零件。這個零件是用于F-15戰斗機上的備品備件。當需要更換部件時，3D打印的作用顯現出來，因為通過傳統加工的時間太長了，并且通過3D打印加工鈦合金，替代了原先的鋁鍛件，而鈦合金的抗腐蝕疲勞更高，反而更加滿足這個零部件所需要達到的性能。當時這個零件是通過激光能量沉積的工藝，加工金屬粉末來獲得的，這種DED工藝被首次應用到軍事飛機上。同時也打開了波音公司的3D打印應用之路。14年后，波音公司現在已有超過50 000件3D打印的各種類型的飛機零件。

波音公司開始通過DED技術為其787夢幻客機生產結構部件。通過挪威鈦（Norsk Titanium）公司的快速等離子沉積技術，在結構件研發的過程中，雙方共同改進工藝，并進行了一系列嚴格地測試，最終在2017年2月獲得了首個3D打印鈦合金結構件的FAA認證。

熱塑性塑料以及基于材料擠出工藝的熔融沉積成形（Fused Deposition Modeling，FDM）3D打印技術，也被應用于飛機零件或備品備件的制造中，這方面的典型3D打印技術是Stratasys公司的ULTEM材料及其FDM 3D打印設備，這款材料以及用該材料3D打印飛機通風道的工藝在2015年通過了FAA標準。

無論是DED金屬3D打印技術還是FDM這樣的塑料3D打印技術，在航空制造中的應用都涉及到了備品備件的生產。商用飛機的使用壽命是30年，而維護和保養飛機的原制造設備是非常昂貴的。通過增材制造技術，測試和替換零部件可以在2周內完成，這些零件可以被快速運到需要維修的飛機所在地，省時省力地幫助飛機重新起飛。將來增材制造方式可以顯著改變目前航空零部件的庫存狀態。把設計圖紙輸入到打印機，就可以快速制造出零部件，將大大降低航空零部件的庫存。

在這方面，中國東方航空成為國內第一家將3D打印的客艙內飾件應用到商用客機中的航空公司。通過3D小批量打印，中國東方航空解決了過去易損零件訂貨周期長、成本高的問題，同時保障了公司機隊的安全飛行，提高了旅客的乘坐體驗。

此外，不再需要保有大量的零部件以備飛機維修需求，這些大量的零部件生產也是十分昂貴和浪費資源的。當然，對于舊機型，尤其是數據丟失的型號，保有原來的零部件還是需要的。

切入點1：性能更好的零件

仿生結構帶來了材料使用率和力學性能的良好結合，這正是增材制造的價值所在，也是3D打印技術會走進航空制造業的重要原因。在空客（Airbus）機艙設計師的設想中，未來飛機的仿生結構將創造力量與材料分布的完美結合，光線充滿整個空間，旅客可以全景觀看艙外景色。設計師在最近幾年打造的一款概念飛機中將這些仿生設計理念體現了出來，并且提出，在未來這款飛機的機艙將完全由一臺有飛機庫那樣大的巨型3D打印機來打造。

（圖片來源：空客）

雖然空客仿生機艙3D打印距離現實還比較遙遠，但在現實中，有著類似設計理念和制造方式的機艙隔離結構已經進入到了生產階段?？湛偷淖庸続Pworks與歐特克公司的The Living設計工作室合作，為空客A320飛機開發了一個大尺寸的“仿生”機艙隔離結構。由選區激光熔融金屬3D打印設備和新型超強、輕質合金材料制造而成。這些3D打印隔離結構已在2016年進行測試，計劃安裝在新的空客A320上，用于分隔客艙后部的食品準備區域。

“仿生”機艙隔離結構的亮點在于其仿生學設計，設計靈感來源于細胞結構，這種結構特別適合應用于有著高強度、低質量要求的航空零件。整個隔離結構是模塊化的設計，其122個3D打印部件像“拼圖”一樣連接在一起。這樣的設計不僅最大限度地減少材料的使用，而且具有高韌性的特點，其中一個或多個節點斷裂的時候，并不影響整個網絡的穩固性。

3D打印的仿生隔離結構比原來的結構輕了大約25kg，這一看似微不足道數字，如果從每架飛機的整個服役周期來計算的話，將累計減少的二氧化碳排放量將高達9.6萬t。而如果未來將這樣的3D打印仿生結構應用到整個機艙的制造，帶來的二氧化碳排放量節省則更為驚人，相當于每年減少46.5萬t的CO2排放量，相當于陸地上減少了9.6萬輛汽車對大氣的污染?？梢?，3D打印仿生結構的價值不僅僅在于自身對材料的節約，更在于對飛機能源的節約和環保的影響。

切入點2：輕量化

飛機上的小零件每減輕一點質量就會使飛機節省大量的燃油消耗。以一架起飛重量達65t的波音737 飛機為例，如果機身減輕一磅（45g）的質量，每年將節省數十萬美元燃油成本。實現飛機減重的常見方式是使用質量更輕、性能更強的先進材料來替代現有材料。

(圖片來源：牛津性能材料)

強度質量比優于鑄造鋁，高性能碳纖維部件的下一個目標是發動機性能結構件與高性能機翼部件。2017年， 牛津性能材料與勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）在碳纖維復合材料實現應用領域新突破。 牛津性能材料將其OXFAB 3D材料打印成飛機導向葉片。由于其惰性特點，OXFAB具有高度耐化學性和耐熱性，既可以抵抗高速運轉時的高溫，同時抵抗火焰和輻射，這對于高性能的航空航天和工業零部件十分關鍵。通過鍍鎳工藝，牛津性能材料發現新材料可以達到介于鈦合金與高性能航空鋁的性能。

另一種減重方式是對現有飛機零部件進行輕量化設計，3D打印通過結構設計層面實現輕量化的主要途徑有四種：中空夾層/薄壁加筋結構、鏤空點陣結構、一體化結構以及異形拓撲優化結構。

無論是3D打印的發動機零部件，還是飛機機艙中的大型零部件，在航空制造業所進行的大量3D打印探索當中，相比上一代設計更加輕量化，幾乎是這些零部件的共同特點。3D打印技術通過實現零部件結構設計層面上的突破而實現輕量化， 以最少的材料滿足零部件的性能要求。

GE公司就曾通過拓撲優化設計和金屬3D打印技術設計了一個輕量化的鈦合金飛機發動機支架。負責零件拓撲優化設計與制造的3D Systems公司QiuckParts團隊，通過Frustum拓撲優化軟件對零件的材料分布進行了優化，最終在實現零部件功能的前提下保留盡可能少的材料，并通過光滑和混合表面的處理降低應力。GE航空對3D打印的零部件進行了力學測試，在實現零件減重70%的前提下，3D打印的鈦合金支架滿足GE 的零件負載要求。

對飛機發動機中的精密零部件進行設計優化，也是3D打印輕量化結構大有可為的領域。西安鉑力特增材技術股份有限公司3D打印的航空發動機中空葉片原型，葉片總高度為933mm，橫截面最大弦長183mm，內部中空，以21排成45的薄肋進行加固處理。鉑力特采用金屬3D打印技術一次成形制造，內部致密，整個葉片中空設計使得葉片質量減輕75%。

不僅僅是航空領域，在航天領域，中國航天科技集團五院總體部在通過3D打印實現輕量化方面已經擁有多年的經驗，并且形成了面向增材制造技術的設計方法。在點陣結構胞元性能研究方面，中國航天科技集團五院總體部根據三維點陣的胞元形式的特點，結合三維點陣在航天器結構中應用的實際情況，提出了三維點陣結構胞元的表達規范，即通過胞元占據的空間并結合胞元桿件的直徑來表達三維點陣結構胞元的設計信息。

（圖片來源：鉑力特-Bright Laser）

（圖片：鉑力特為中國航天科技集團五院總體部3D打印的微小衛星結構內部）

基于增材制造及點陣結構的典型微小衛星主結構：

尺寸包絡：400mm×400mm×400mm；

承載能力：104kg；

結構重量：＜9kg；

制造周期：15天內。

切入點3：解決傳統工藝無法加工的難題或在經濟性方面替代鑄造和鍛造

在傳統鑄造工藝中，大尺寸和薄壁結構鑄件的制造一直存在難以突破的技術壁壘。由于冷卻速度不同，在鑄造薄壁結構金屬零件時，會出現難以完成鑄造或者鑄造后應力過大、零件變形的情況。這類零件可以轉而使用選區激光熔融3D打印技術進行制造，通過激光光斑對金屬粉末逐點熔化，在局部結構的得到良好控制的情況下保證零件整體性能。

（圖片來源：鉑力特-Bright Laser）

鉑力特通過選區激光熔融設備制造的多層薄壁圓柱體，材料為鎳基高溫合金粉末，零件尺寸為 φ576mm×200mm，質量為15kg，壁厚最薄處僅2.5mm，φ576mm×200mm。該零件體現了選區激光熔融技術在制備大幅面薄壁零件方面的能力。與鑄造工藝相比，采用金屬3D打印技術直接制造零件，不需要提前制備砂鑄造型，這使得制造周期大大縮短。鉑力特制造的這款多層薄壁圓柱體時所花費的打印時間約為72h。

鍛造生產是機械制造工業中提供機械零件毛坯的主要加工方法之一，飛機上鍛件制成的零件質量約占飛機機體結構質量的20%～35%和發動機結構質量的30%～45%，是決定飛機和發動機的性能、可靠性、壽命和經濟性的重要因素之一，鍛造技術的發展對航空制造業有著舉足輕重的作用。

隨著航空產業不斷的發展，對航空裝備極端輕質化與可靠化的追求越來越急迫，鍛造技術的瓶頸已逐漸顯現，尤其在大型復雜整體結構件、精密復雜構件的制造，以及制造材料的節省方面。定向能量沉積（DED）3D打印工藝在航空航天制造業中的應用恰好彌補了傳統鍛造技術的不足，在飛機結構件一體化制造（翼身一體）、重大裝備大型鍛件制造（核電鍛件）、難加工材料及零件的成形、高端零部件的修復（葉片、機匣的修復）等傳統鍛造技術無法做到的領域發揮出獨特的價值。甚至有人認為3D打印技術可以替代鍛造技術用于航空制造領域。

以電子束和等離子束為熱能的定向能量沉積技術在近年來受到了航空航天制造企業的重視，這些技術被用于制造大型復雜整體零件的毛胚。波音通過Norsk Titanium公司的快速等離子沉積設備 3D打印的鈦合金結構件已經進入了生產階段。美國航空制造企業洛克希德·馬丁空間系統公司（Lockheed Martin Space Systems Company）曾投資400萬美元從Sciaky公司購買了一臺基于電子束熔化焊接（EBAM）技術的 3D打印機，并用這臺設備制造出直徑近1500mm的燃料箱，削減了燃料箱的制造成本。

通過電子束熔化焊接技術的特點，可以了解到定向能量沉積3D打印工藝與鍛造工藝的區別。電子束熔化焊接技術的3D打印材料為金屬絲，并使用一種功率強大的電子束在真空環境中通過高達1000℃的高溫來融化打印金屬零部件。這種電子束槍的金屬沉積速率達9.07kg/h。電子束定向能量沉積、逐層增加的方法創建出來的任何金屬部件都近乎純凈。該技術也可以用于修復受損的部件或者增加模塊化部件，并且不會產生傳統焊接或金屬連接技術中常見的接縫或者其他弱點。

在模鍛工藝中需要用到模具，金屬坯料在具有一定形狀的鍛模膛內受壓變形而獲得鍛件。加上制造模具的時間，鍛造的交貨期與電子束融化焊接技術的交貨期的差距就十分明顯。這使得電子束融化焊接技術在航空航天行業關于小批量生產需求的零件制造方面獨具交貨期短的優勢。

鍛造和電子束融化焊接都是近凈成形工藝，但電子束融化焊接更接近凈型，加工過程中需要去除的材料更少。航空航天制造材料往往是昂貴的，而電子束融化焊接技術比鍛造技術減少約50%的材料去除需求。而在后期的機械加工中，需要去除的材料少意味著切削刀具和切削液消耗量的降低，以及獲得更少的加工時間。增材制造技術為材料節省所創造的價值， 在制造鈦金屬等昂貴飛機零件制造材料時顯得尤為突出。

電子束融化焊接技術在加工的過程中能夠實現實時質量控制，閉環控制系統通過監測構建參數保證質量達到要求，并可以通過調整能量的大小，保持一致的零件幾何形狀、化學和微觀結構。

EBAM 設備還有一項具有潛力的配置——雙絲。具有雙絲配置的設備，從兩個獨立控制的送絲裝置上料，實現同時加工兩種不同的金屬絲材。該配置使EBAM技術在制造梯度合金材料方面具有應用潛力。

也許，不僅僅航空航天行業需要定向能量沉積3D打印技術提供鍛造服務的公司也可以考慮引入這類3D打印技術，將其與傳統鍛造工藝放在同一屋檐下，提供更優化的制造組合。

切入點4：零件修復

激光熔覆技術對飛機的修復產生了直接的影響。渦輪發動機葉片、葉輪和轉動空氣密封墊等零部件可以通過表面激光熔覆強化得到修復。關于激光熔覆技術（LENS技術）用于再制造，目前國內以西安鉑力特以及北京王華明院士的團隊為主要的3D打印服務提供方。

而激光熔覆技術本身也在獲得不斷的發展，2017年，德國Fraunhofer研究機構還開發出超高速激光材料沉積-EHLA技術，這項技術使得定向能量沉積技術所實現的表面質量更高，甚至達到涂層的效果。目前EHLA技術已經迅速的被德國通快商業化。

除了激光熔覆技術，冷噴增材制造技術正在引起再制造領域的注意。其中，GE就通過向飛機發動機葉片表面以超音速的速度從噴嘴中噴射微小的金屬顆粒，為葉片受損部位添加新材料而不改變其性能。除了不需要焊接或機加工就能制造全新零件，冷噴技術，令人興奮之處在于它能夠將修復材料與零件融為一體，恢復零件原有的功能和屬性。

（來源：Fraunhofer）

切入點5：高性能材料及梯度合金

1.高性能材料

3D打印不僅僅在碳纖維增強塑料以及玻璃纖維增強塑料方面大有可為，在金屬材料的制備方面也頗具潛力。例如南京航空航天大學提供一種基于粉末床激光熔融3D打印技術成型的鋁基納米復合材料，用于激光增材技術領域，有效地解決鋁基納米復合材料在激光增材過程中工藝性能與力學性能不匹配、增強顆粒分布不均勻以及陶瓷相與基材相之間潤濕性較差的問題，使得所獲得的產品具備良好的界面結合以及優異的力學性能。

2.替代釬焊

在由多種合金制成的航天零件中，通常需要用到釬焊的工藝。釬焊主要是通過加熱到一定溫度使焊料熔化，從而把幾種一樣材質或不同材質的金屬連接在一起。釬焊時一般都發生母材向液體釬料的溶解過程，可使釬料成份合金化，有利于提高接頭強度。釬焊時也出現釬料組份向母材的擴散，擴散以兩種方式進行：一種是釬料組元向整個母材晶粒內部擴散，在母材毗鄰釬縫處的一邊形成固溶體層，對接頭不會產生不良影響；另一種是釬料組元擴散到母材的晶粒邊界，常常使晶界發脆，尤其是在薄件釬焊時比較明顯。

所以說兩種金屬材料的接頭強度是一大加工難點。2017年，美國宇航局NASA成功測試了由兩種不同金屬合金制成的3D打印火箭發動機點火器。測試是在阿拉巴馬州的馬歇爾太空飛行中心完成的，這揭示了3D打印的另一大應用潛力：解決釬焊加工所面臨的挑戰。

傳統上，關鍵的發動機部件是使用釬焊的復雜且費力的工藝制成的，釬焊是一種緩慢而昂貴的工藝，并且需要體力勞動和各種不同的步驟來配合完成。通過3D打印將兩種金屬材料打印成一個單一部件，NASA開辟了一種更高效、更經濟有效的制造火箭發動機點火器的方法。

通過3D打印過程將兩種材料分散熔合在一起，兩種材料內部晶粒產生粘結，使得任何硬質過渡都被消除，從而零件不會在巨大的壓力和溫度梯度變化下發生斷裂情況。

該零部件由銅合金和Inconel合金制成，通過DMG MORI（德馬吉森精機）開發的混合3D打印工藝生產出來，點火器部件的高度為254mm、寬為177mm。

此外，DMG MORI的系統提供了一個獨特的功能：用戶可以選擇在打印過程中對零件的內部進行CNC機加工。換句話說，3D打印機可以在增材制造和減材制造加工之間進行轉換，從而在其組件的整個輪廓完成之前進行完善組件內部結構的精加工作業。

切入點6：4D打印

4D打印是指在第四維度形狀或功能發生改變，換句話說，4D打印是指3D打印結構在打印完成后其形狀和材料特性暴露在一個預先確定的刺激中的時候將發生功能或形狀的改變。常見的刺激包括：水的浸沒，暴露于熱、壓力、電流、紫外線等環境中。

國際上4D打印的研究集中在一些頂級的科研機構中——麻省理工的研究人員使用了模擬軟件，通過建模模擬出顆粒結構增強的復合材料零件。經過仿真可以展示出對象究竟會對表面壓力如何反應。而一旦仿真結果滿足要求，零件將通過多材料3D打印機打印出來。這些產品具有間歇性和隨機性的豐富多樣的表面特征變化，包括可變波、折皺狀的特征、平頂、谷底等，可以通過改變顆粒的無因次幾何參數（例如：相對的顆粒大小、形狀、間距和分布等）來獲得。這些表面特征可以通過顆粒定位來實現變量可控。這項技術具有潛力的應用方向包括：偽裝的制造；可以推進、吸引或引導液體流動的材料；可以應用到限制海洋生物在輪船底部堆積的反光材料或每隔一段時間移位的材料。

來自德國Freiberg的研發團隊研發出面向未來的高性能材料：記憶性材料，可以自行愈合裂隙或回復原狀。研究中心的設備是Arcam 公司的電子束熔融3D打印技術制造產帶記憶功能的零件。這些零件就像彈力回形針，在發生歪曲時，只要把它們放到熱水中，就能夠恢復原來的形狀。這個項目可以滿足航空航天制造業的特殊需求，例如用來制造可調整的機翼結構，以適應不同的飛行情況。此外，液壓傳動系統中的大量復雜管道系統也是這一技術具有潛力的應用領域。

本文參考來源：航空制造網、GE、鉑力特、空客、Fraunhofer。□