淺析3D打印技術(shù)在航空制造中的應(yīng)用

屈春英

摘要：3D打印技術(shù)的發(fā)展使許多領(lǐng)域充滿了生機(jī)。從三維成形的角度，顛覆傳統(tǒng)觀念，創(chuàng)造鍛造行業(yè)的升級(jí)發(fā)展。三維打印技術(shù)是一種新型的加性制造技術(shù)。它是全球制造業(yè)中新興的一種制造技術(shù)，集光學(xué)控制、數(shù)控、新材料等應(yīng)用于一體。在航空制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)可以在復(fù)雜零件的生產(chǎn)制造中發(fā)揮重要作用，創(chuàng)新材料類型，將新技術(shù)、新方法有機(jī)結(jié)合，形成適合航空工業(yè)發(fā)展的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù) 航空制造 技術(shù)優(yōu)勢(shì) 應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)

3D打印技術(shù)的飛速發(fā)展，使各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域的生產(chǎn)效率有了明顯的提升，同時(shí)為生產(chǎn)效益的增加提供了可靠的技術(shù)支持，對(duì)于經(jīng)濟(jì)社會(huì)的穩(wěn)步發(fā)展具有積極的作用。在不同的方面進(jìn)行應(yīng)用， 3D打印技術(shù)能夠更好地實(shí)現(xiàn)發(fā)展的目標(biāo)，為國(guó)家各領(lǐng)域的技術(shù)水平提供有效的支持和保障。應(yīng)該在具體的實(shí)踐中，正確地看待 3D打印技術(shù)，明確其在航空制造領(lǐng)域做出的貢獻(xiàn)，并且結(jié)合現(xiàn)代航空制造業(yè)的發(fā)展要求，奠定相應(yīng)的基礎(chǔ)，為該技術(shù)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展清除障礙。

一、3D打印技術(shù)的誕生與發(fā)展

3D打印技術(shù)最初由美國(guó)人發(fā)明，誕生于上世紀(jì)的八十年代，由“立體光刻”技術(shù)發(fā)展而來(lái)。這種技術(shù)是借助數(shù)字信息像復(fù)印機(jī)一樣復(fù)制出具有三維立體形式的物體模型，然后將樹(shù)脂在紫外線照射下就會(huì)凝固成形，從而制造出真實(shí)可見(jiàn)的物體。隨后在幾年間由來(lái)自美國(guó)麻省理工研究：的眾多專家將這種技術(shù)加以創(chuàng)新，將其申請(qǐng)為專利，并逐漸推向市場(chǎng)，從此其技術(shù)應(yīng)用范圍越加廣泛。基于其技術(shù)具有材料利用率高等特點(diǎn)，各領(lǐng)域?qū)ζ浒l(fā)展應(yīng)用給予了高度重視，對(duì)技術(shù)的推廣同樣給予了十足的信心。其技術(shù)是 3D模型通過(guò)被設(shè)計(jì)掃描后，以某個(gè)坐標(biāo)軸為基點(diǎn)，按照一定的方向?qū)⒛Ｐ颓谐扇舾蓚€(gè)剖面，打印出這些剖面，按照三維尺寸與一定的順序堆積起來(lái)，等比例的實(shí)體給人以立體感官的模型形成，經(jīng)過(guò)對(duì)模型的再加工制造形象直觀的物體得以出現(xiàn)。從世界范圍內(nèi)來(lái)看，沒(méi)有任何一個(gè)國(guó)家的 3D打印技術(shù)可以與美國(guó)相提并論，美國(guó)確實(shí)是這個(gè)方面的先驅(qū)，敢于將其技術(shù)投入到新領(lǐng)域應(yīng)用當(dāng)中，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，開(kāi)始在電子產(chǎn)品、汽車工業(yè)等多種領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，更高端的航空制造領(lǐng)域也逐漸開(kāi)始應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)。在歐美的一些國(guó)家中，在商業(yè)運(yùn)行模式初步形成的前提下，此技術(shù)以良好的效果在航空制造領(lǐng)域中得到應(yīng)用推廣。美國(guó)是全球最先發(fā)明 3D打印技術(shù)的國(guó)家，將其技術(shù)應(yīng)用在民用領(lǐng)域的全球第一家企業(yè)是日本佳能，應(yīng)用在單反相機(jī)的殼體制造上，鎂鋁合金制造成曲線面，以形成相機(jī)的頂蓋。3D打印技術(shù)在我國(guó)的航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用并不是一帆風(fēng)順，由于航空工業(yè)發(fā)展歷程漫長(zhǎng)曲折，航空技術(shù)與西方國(guó)家存在著巨大差距，但是伴隨科技的迅猛發(fā)展，航空制造技術(shù)也得到了快速發(fā)展，3D打印技術(shù)的傳播范圍越來(lái)越廣，日臻完善，使得越加在航空制造工業(yè)中得到應(yīng)用推廣。經(jīng)過(guò)多年來(lái)的共同致力研究，我國(guó)的 3D打印技術(shù)已不再顯得落后，利用此項(xiàng)技術(shù)發(fā)展而來(lái)的凈成型加工技術(shù)對(duì)于航空制造發(fā)揮了重要作用。

二、主流技術(shù)手段與優(yōu)勢(shì)

2.1 3D打印技術(shù)通過(guò)金屬熔融疊加塑形

從金屬制造和加工的技術(shù)考慮.3D打印技術(shù)的主要原理就是通過(guò)數(shù)字化處理系統(tǒng)，利用數(shù)字化模型進(jìn)行空間網(wǎng)格化設(shè)計(jì)，通過(guò)各個(gè)空間點(diǎn)陣，利用金屬微量熔融和燒結(jié)技術(shù)，將零件一層層堆積成型。 3D打印技術(shù)的成型原理與激光打印的原理相似.只是激光打印機(jī)打出的材料是平面的.而 3D打印機(jī)打印立體效果。 3D打印技術(shù)具有空間效應(yīng)，在航空制造業(yè)中，3D打印技術(shù)能夠增加零件的韌度，高分子的操作使金屬成型更快速，更符合航空材料的需求。

2.2 3D打印技術(shù)可以使用鈦合金等高強(qiáng)度材料

航空工業(yè)發(fā)展中，對(duì)材料的要求很高，具有質(zhì)量與重量雙要求。傳統(tǒng)材料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定.不容易被加工成型.這些材料利用傳統(tǒng)的工藝無(wú)法達(dá)到塑造效果，這是航空材料制造應(yīng)用中的難題。 3D打印技術(shù)出現(xiàn)后。從一定程度緩解了這個(gè)矛盾。3D打印技術(shù)使用的材料主要集中在鈦合金、鋁鋰合金等高強(qiáng)度材料上.生產(chǎn)過(guò)程中運(yùn)用光學(xué)原理，打破材料本質(zhì)的特性，使熔融金屬絲沉淀，能滿足航空部件化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的要求。

2.3 3D打印技術(shù)結(jié)合了電子光學(xué)效應(yīng)

3D打印技術(shù)使用最主要的技術(shù)就是電子束和激光技術(shù)。電子束快速數(shù)字成型技術(shù)，是由電子束焊發(fā)展而來(lái)的，電子束的熔化成型技術(shù)具有聚焦點(diǎn)直徑大、加工過(guò)程中熱效應(yīng)強(qiáng)、形成零件的精準(zhǔn)度高的特點(diǎn)，特別是對(duì)復(fù)雜腔體、扭轉(zhuǎn)體或者薄壁腔體.成型效果優(yōu)勢(shì)明顯。另外，大功率激光器是 3D打印技術(shù)中使用的主要設(shè)備，激光數(shù)字成型技術(shù)與電子束相似，但是，比電子束更具實(shí)際操作力，在掃描點(diǎn)陣精度上更高，并且能夠減少材料的損耗。

三、空制造領(lǐng)域的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在 3個(gè)方面：產(chǎn)品外形驗(yàn)證、直接產(chǎn)品制造和精密熔模鑄造的原型制造。早在 20世紀(jì) 90年代后期，美國(guó)就已經(jīng)采用“選擇性激光熔凝”（SLM）3D打印技術(shù)制造了 J一 2x火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣孑 L蓋。近年來(lái)波音公司已經(jīng)利用 3D打印技術(shù)制造了大約 300種不同的飛機(jī)零部件?？湛褪褂?3D打印技術(shù)制造了 A380飛機(jī)客艙行李架，在“臺(tái)風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)中采用了 3D打印技術(shù)生產(chǎn)的空調(diào)系統(tǒng)，近年來(lái)制定了“透明飛機(jī)”概念，并計(jì)劃在 2050年左右采用 3D打印技術(shù)生產(chǎn)制造出整架飛機(jī)。 GE航空在 2012年 11月 20日收購(gòu)了 MorrisTechnolo- gies3D打印公司，計(jì)劃采用該公司的 3D打印技術(shù)制造 LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)組件。 2013年 1月 14日美國(guó) Sciaky公司采用電子束 3D激光打印技術(shù)成功制造了尺寸為 5.8m伊1.2m伊1.2m的鈦合金零件，美國(guó)軍工巨頭洛克希德窯馬丁公司立即宣布，將與 Sciaky公司合作，采用該技術(shù)生產(chǎn) F一 35戰(zhàn)斗機(jī)的襟副翼翼梁。我國(guó)是制造業(yè)大國(guó)，3D打印技術(shù)未來(lái)將有可能對(duì)我國(guó)的航空制造業(yè)產(chǎn)生革命性的變革與顛覆，因此我國(guó)的航空制造業(yè)應(yīng)未雨綢繆，積極推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新與投入資金進(jìn)行設(shè)備研制.并在以下方面進(jìn)行籌備：

3. 1推進(jìn)“產(chǎn)研結(jié)合”，拓展 3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，延伸產(chǎn)業(yè)鏈，提高產(chǎn)業(yè)化程度。將 3D打印的“增材”與傳統(tǒng)工藝的“減材”制造相結(jié)合，形成復(fù)合制造體系。

3.2 3D打印的速度、效率和精度。逐步實(shí)現(xiàn) 3D打印機(jī)體積小型化、桌面化與成本低廉化。開(kāi)發(fā)多樣化 3D打印材料，特別是能夠?qū)崿F(xiàn)直接成型的金屬材料。

四、結(jié)語(yǔ)

雖然 3D打印技術(shù)在成本和速度上具有突出的優(yōu)勢(shì)，但其面臨的挑戰(zhàn)也很明顯：打印信息安全、專業(yè)技術(shù)人員技能水平等，因此，在航空制造領(lǐng)域推廣 3D打印技術(shù)還有很長(zhǎng)的路要走。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位 ：沈陽(yáng)沈飛集團(tuán)鋁業(yè)幕墻工程有限公司 ）