3D打印技術與傳統加工技術對比的優缺點

葉冬森 沈培良 張大川 楊 釩 吳 磊 王倩倩

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

0 引言

3D打印技術是一項前沿性的先進制造技術，利用3D打印機使三維CAD數據直接打印成三維模型，快速實現各種復雜個性化原型設計，比傳統的制造方法快速、省時，在航空航天[1]、生物醫學[2]、機械制造[3]、文化創意[4]等行業有廣泛的應用前景。在全球興起的新一輪數字化制造浪潮中，3D打印技術作為其中最為關鍵的核心技術，是第四次工業革命重要的推動力和催化劑，正在引領設計與生產的變革。3D打印產品有諸多優點，但在工業應用上仍受諸多限制。一方面，3D打印產品應用量少，價格居高不下；另一方面，缺乏有效的缺陷評估能力，3D打印產品的可靠性不可預測。目前傳統工藝原材料豐富、制作工藝完善、產業鏈條完整、制作成本低[5]，仍然是航空業的主要應用工藝。同時，作為一種新興技術，3D打印金屬產品在疲勞性方面的研究還處于起步階段，金屬增材民機應用有很大的局限性。但3D打印工藝的靈活性使結構優化設計有更大的發揮空間，可以彌補傳統制造工藝對飛機結構設計的限制[6]，給民機設計降本減重帶來可能性。隨著技術的進步，增材產業鏈完善和工藝水平的進步，3D打印將會給飛機結構設計理念帶來更大的機遇。

1 3D打印技術的簡介

3D打印是一種使用數字文件制作三維立體物體的過程，首先計算機三維軟件將零件數模切分成數字化薄片，在成形平臺上，送料機構在規定范圍內按照數字薄片鋪覆材料，同時熱源對輪廓數據進行加工，通過連續堆積材料來創建模型，如圖1所示。減材制造與3D打印相反，是用銑床等切割或鏤空出零件構型。對于傳統的材料去除加工技術，3D打印是一種自下而上的材料累積加工方法。3D打印僅在一臺設備上即可制造出任意復雜形狀的零件，不需要刀具、夾具以及多道加工工序，實現了自由制造，解決了許多復雜結構零件的成形問題，并縮短了制造周期。3D打印技術按照其材料和工藝的不同，劃分成了不同類型的3D打印技術。目前，比較成熟的3D打印技術主要包括選擇性激光熔化技術(Selective Laser Melting，簡稱SLM)、快速等離子體沉積工藝(Rapid Plasma Deposition，簡稱RPD)、激光金屬熔覆(Laser Metal Deposition，簡稱LMD)等，這些主要是金屬3D打印技術；此外還有熔融沉積制造技術(Fused Deposition Modeling，簡稱FDM)、光固化成形技術(Stereo lithography Apparatus，簡稱SLA)、聚合物噴射技術(PolyJet)等[7]，這些主要是非金屬3D打印技術。目前在民機設計中成功使用的3D打印技術有金屬RPD[8]和非金屬3D打印FDM[9-10]，大幅降低了成本，減少了機加工和材料消耗，縮短了交貨時間。

圖1 增材加工

2 傳統加工技術的簡介

傳統加工技術包括減材加工和等材加工。減材加工主要采用比加工材料更硬的工具依靠機械外力來完成多余材料的去除過程，主要有：車、銑、刨、磨、鉆等，如圖2所示。一般精度零件使用普通機床加工后再進行必要的鉗工修配，即可裝配成各種組件；對于具有高精度要求的零件，則要采用精密機床進行加工，如三坐標數控銑床、數控磨床等多軸加工[11]。

圖2 減材加工

等材加工主要是將熔融材料澆入模型，熔融材料凝固后獲得具有一定形狀、尺寸和性能的零件毛坯，主要包括鑄造、鍛造等，如圖3所示。等材加工在無機械加工或少量加工后即可使用，可在批量生產時很大程度上降低生成成本并減少制造周期，從而廣泛應用于民用飛機設計領域[12]。

圖3 等材加工

傳統的加工技術普遍存在工作環境差、工序多且復雜、模具制造周期長、構型迭代困難，少批量加工時成本高、對人員技術要求高等缺點，這使得傳統加工不能滿足目前民機中快速、高效迭代的零件研制生產速度。

民機零件制造除減材加工外，有兩種主要等材加工工藝：鑄造和鍛造。鑄造技術因其鑄件產品力學性能偏低以及內部鑄造缺陷的不可控等缺點，不能應用于飛機主結構；鍛造技術是目前飛機主承力構件的主要工藝技術，尤其是模鍛件，外形接近產品，少量機加就能形成最終產品，但其缺點是模具的設計和加工周期給結構設計更改帶來巨大的成本壓力。

3 3D打印技術的優勢

3.1 設計靈活

3D打印時無需考慮夾具、刀具干涉等限制，對流型孔道、集成一體化、特征復雜的結構等均可以直接從功能性方面設計。另外，可以進行結構形式優化減重，簡化制造工藝、提高毛料利用率，解決了傳統工藝中零件加工難度大、傳統加工后處理變形等問題，構建出傳統工藝不能實現的形狀。

3.2 小批量生產的經濟性

3D打印過程無需制造模具，且無需夾裝過程，不需通過大批量生產才能抵消昂貴的模具成本，允許低生產量，包括單件生產。小批量生產的經濟性可降低民機研制階段設計更改的成本。

3.3 生產可預測性好

零件的3D打印時間、成形變形量可根據零件設計方案直接預測，通過參數調整和增材工藝仿真，零件成形變形量可預測并可以通過更改設計模型調整。隨著3D打印技術及輔助技術的發展，制造商可以對3D打印時間、成形質量及成形精度等擁有更嚴密的控制力，從而使民機使用3D打印設計制造時零件構型可測、可控。

3.4 減少裝配

通過3D打印構建一體化的成形部件，取代需采用眾多零件裝配而成的產品,節省了多個零件的運輸、裝配、緊固件安裝、焊接等工序，通過摒棄多余的生產線而降低零件制作成本。

3.5 制造快捷

在民機初步設計階段，3D打印零件從計算機的三維立體造型開始直至制造出實體零件，一般只需要幾十個小時，不需要等待模具的制作，減少了零件構型更改造成的重新開模時間,使零件設計迭代變得更加快速,研制周期大大縮短。

4 3D打印技術的缺點

4.1 材料受限

3D打印雖有廣闊發展前景，但也存在巨大的挑戰。在技術上，通過材料逐層構造零件的方法不同于傳統的鍛造或鑄造，微結構、缺陷種類、殘余應力、可檢驗性、后處理要求以及結構性能和耐久性等，均不同于傳統方法所產生的材料。對于復雜零件，材料設計值可能不能代表結構實際性能，需要通過高于試片級的結構試驗驗證材料與工藝共同影響結構性能。

同時，適用于3D打印的材料種類有限，用于民機的材料需要滿足適航要求，3D打印材料的力學性能、組織結構、制造工藝穩定性、供應商質量監控等都需要嚴格的控制，這使得3D打印技術只能應用于民機設計的一些特定場合。尤其對于金屬材料，增材制造目前還沒有達到材料的標準化水平，普遍缺乏工業材料規范和工藝規范、基本性能的共享數據庫、以及測試標準，難以用現有生產檢測技術表明民機上應用產品的可重復性和質量穩定性。

4.2 缺陷檢測受限

由于3D打印制造過程控制復雜，采用分層制造，層層疊加制造工藝，層與層之間結合處的質量無法像精鍛零件一樣整體均勻。材料的微觀組織和結構決定了零件的物理性能如靜強度、疲勞性能等，目前3D打印技術發展水平還不能滿足民用飛機損傷容限和疲勞強度設計要求。

3D打印技術因其固有的成形原理的限制，通過3D打印技術成形的零件尤其是金屬零件內部存在制造缺陷，主要有空隙、微裂紋、熔融不良等缺陷，這些缺陷尺寸一般小于20 μm,低于一般的無損檢測方法門檻，而這些缺陷又是裂紋萌生源，嚴重影響結構的疲勞性能。從而導致增材金屬零件不能直接作為民機大型關鍵承力件使用，只能作為小型功能件使用，使其應用范圍受到限制。

4.3 精度控制困難

在3D打印過程中，從設備本身的軟件、硬件到成形材料及成形工藝，每個環節都有多個因素影響加工質量。工程實踐表明，影響3D打印精度的關鍵因素為機械控制、模型數據處理、材料本身特性和成形參數控制。這些因素控制材料增加量、3D打印單元尺寸以及系統運動精度，決定了零件在累積方向的精度和零件的最小特征制造能力。3D打印精度提高需要減少材料增加量、控制3D打印單元尺寸、提高系統運動精度，而這些能力在短期研究中很難進一步提高。

5 3D打印與傳統加工對比分析

在民機設計領域，3D打印能夠實現個性化定制、增加設計自由度、減少裝配、減少制造模具的成本、縮短研發生產周期，為民機降本減重帶來更多的機遇。

由于模具制造費用昂貴，等材加工主要用來制造結構相對簡單、構型成熟度高、構型更改概率低、大批量生產的零件。減材加工的材料應用廣泛、具有較高的加工精度，主要應用在結構復雜度低、表面光潔度要求高的零件。民用飛機的零件設計會根據結構形狀、結構性能要求、工作環境、研發生產周期、成本等要求選擇合適的加工方式。

目前在民機設計領域，所有零件均可以通過傳統加工完成，3D打印的出現是對傳統加工工藝的優化補充。同時，3D打印制造零件的全流程也離不開傳統工藝(如后處理)的輔助。3D打印與傳統加工不是相互取代關系，而是相互結合取長補短的共存技術。

6 3D打印發展展望

6.1 精度更高技術

隨著激光、電子束及光投影技術的發展，3D打印單元尺寸及系統精度都會提高。首先，熱源光斑會向更小發展，單元的掃描精度會從微米級向納米級趨近；同時，系統精度通過設計集成和傳感反饋控制提高，從而提高單元分辨率。隨著科學技術的進步，3D打印精度將會從目前的0.1 mm向0.01 mm～0.001 mm或更精密發展。最終，3D打印將實現微納米級的高精度制造。

6.2 高效制造技術

3D打印技術設計靈活、節省材料、適合小批量生產，這些只是采用3D打印技術的部分原因，在生產中充分使用該技術，仍需要高效制造技術。目前材料的可用性是3D打印行業的一個重要挑戰，3D打印材料的種類確實得到了飛速發展，但沒有一個可靠的材料數據庫，這使得應用不同材料時會做不同的驗證試驗，大大限制了3D打印的應用速度和范圍。因此，開發具有統一標準的3D打印材料數據庫是未來加快3D打印速度的關鍵。

另外，為實現大尺寸零件的高效制造，發展3D打印多加工單元的集成技術，提高制造效率，保證3D打印組織之間的一致性和單元結合區域的質量是發展3D打印高效制造的另一關鍵技術。

6.3 復合材料打印

現階段的3D打印主要采用單一材料制造，如單一高分子或金屬材料[13]。隨著可3D打印材料種類的增多和設備自動化程度的提高，梯度材料、仿生耦合材料等多種復合材料的打印是未來發展趨勢。3D打印通過精確控制微單元材料數量和種類，準確地堆積微單元實現成形，從而實現復合材料的控形和控性制造，從結構自由成形到性能和結構可控制造是未來3D打印的方向之一。

6.4 增減材混合制造

3D打印能夠成形傳統機械加工難以實現的流型孔道、創成式設計等復雜結構件，但其幾何精度和表面質量與傳統加工還有較大差距。增減材混合制造技術可以由多軸數控機床、增材制造機構、送料機構、軟件控制系統和輔助系統來實現[14]。增減材混合加工不同于一臺機床上同時集成車、銑、鉆等多工序的復合加工技術，而是加工過程中增材與減材互換與互補。通過逐層堆疊之后適時的去除，保證零件的尺寸精度和表面質量，提高零件成形速度，實現了難加工材料的可加工性，減少了刀具磨損，為產品設計提供了新思路，大大促進了高端產品的創新。

6.5 飛機主承力結構的應用

目前國內民機領域使用了金屬3D打印件替代鑄件，多用于功能類次承力結構，主要原因是3D打印過程中材料的熔化和凝固的速度極快，熔池內的氣體沒有充足的時間釋放，殘存在冷卻構件內形成氣孔，以及材料熔化不充分或未熔化顆粒形成的缺陷等，使3D打印產品的抗疲勞性能不穩定；目前國內3D打印民機結構力學性能的控制多偏向于靜力性能，缺少對韌性的關注，致使3D打印產品的斷裂韌性較低，損傷容限性能尚不能滿足當前結構設計需求，因此達不到替代鍛件的水平。未來，通過打印工藝及后處理工藝的提升，降低3D打印產品的缺陷，提高3D打印產品的韌性，3D打印產品應用于民機主結構是必然趨勢。

7 結論

目前，3D打印技術正不斷向大尺寸、高精度、復雜化結構、多種材料方向發展，打印材料的需求使用、打印的精度控制及打印速度的不斷提高是發展的主要方向。未來，3D打印技術的發展將會體現出精密化、智能化、通用化以及便捷化的趨勢。目前，3D打印仍是不夠成熟的新興技術，與傳統加工技術不是取代的關系，需要進一步提升，并與傳統制造技術相結合、互相補充，利用3D打印與傳統加工的特點，實現未來零件高精度與高品質的加工，這才是3D打印進一步提高并實現民機應用的未來。