3D打印在航空制造中的优点与局限.docx

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1、3D打印在航空制造中的优点与局限 3D打印技术是在上世纪73年头末期起先出现，主要应用于产品研制阶段的“快速原型”和生产阶段的“快速制造”。3D打印技术与曾经应用于工业生产的堆焊工艺方法相像，之所以称为3D打印，就是在成型工艺上采纳CAD和计算机3D模型数据，将两维基材通过不同融合方式组合成三维结构。用在航空生产上的工艺方法主要有激光近净成形技术、激光选区熔化技术及电子束选区熔化技术。 SLM就是把立体的零件根据粉末的厚度分解成平面，每层粉末烧结成固定平面后堆叠成立体成品。LENS则是用激光束的能量熔化预先喷射到熔化区的金属粉末或丝材，通过熔池的连续运动将熔池的点连接成线，最终形成平面后逐层积

2、累成立体的零件。 LENS与SLM都采纳增材制造的加工工艺，与锻造和铸造的工艺方式相像，也是以困难外形零件毛坯的干脆成型为目标。3D打印的优点是成型后的机加工去除材料量较少，部分类型零件可以实现近净成型，甚至满意干脆成型的尺寸精度要求。 3D打印困难框类结构毛坯的减重效果比较明显，如F-22最大面积锻造结构框的毛坯重量为2 790千克，毛坯加工后的净重量只有144千克，材料去除比例达到了95%！假如根据已经能够验证的工艺要求制造盘形困难结构零件，锻造工艺无法干脆制成细微环节结构，材料利用率只有毛坯重量的约10%。铸造则可以完成部分细微环节的粗略成型，毛坯实际利用率可达到总重量的20%25%。3

3、D打印可以干脆制成与成品接近的外形，考虑到外表加工工艺和材料品质要求，成品零件可以达到毛坯总重的60% 73%，材料利用率和机加工效率都有很大提高。 相对的，铸造成型模具的再利用效果比较好，成品芯型能进行批量毛坯的制造。锻造的锻压模具成本虽然很高，工艺设备标准要求也高，但锻造也有利于进行批次生产毛坯的成型。3D打印采纳增材制造的工艺手段，无论只制造1个还是批制造101个，单件的生产时间和成本均没有任何差异，零件的成型工艺要求和品质限制则更为严格。 3D打印与其它制坯方式的对比 现阶段3D打印技术的航空应用主要集中在金属结构，以坯材成型加工难度大的钛合金和合金钢为主，加工难度低的铝材则更适合采纳

4、锻铸方式成型。 3D打印航空零件的应用已比较广泛。国外用于F-22的3D成型TC4接头已经达到2倍设计疲惫寿命，F/A-18的翼根吊架结构强度达到设计要求的225%，疲惫寿命也达到4倍设计要求，C-17等型号的进气道附件也都起先批量应用3D打印，部分3D打印件已能在现有机型制造中替代钣金和精铸件。 世界上第一架采纳喷气动力的3D打印无人机 中国在航空3D打印方面取得了很大的成果，已有多个型号应用3D打印的承力结构，达到了缩短制造周期和简化工艺的效果，对产品减重的作用也比较明显，宣扬资料中甚至有过减重40%的说法。国内许多军迷仅依据这个40%和类似说法，就对航空结构减重抱有很大希望，而这个40%

5、虽然理论上存在可能，但要受到特别严格的条件和应用限制。 SLM制成品的尺寸精度较高，但成型体结构密度限制效果不好，难以承受高载荷的结构效应，承力结构的3D打印主要采纳的是LENS。根据已经公开的3D打印整体框架坯材外形对比，3D打印件毛坯重量大致只有锻造的15%，这是3D打印的技术优势，但坯材减重比并不代表最终制成品的重量对比。 飞机的整体结构框架的设计要考虑到灵巧、坚实，以及工艺和成品机械/理化性能的一样性，结构设计必需严格满意标准化的要求，不同机型类似结构的设计并没有大的差异。展览上公开的3D打印承力框架制成品，结构设计与锻造框架并没有任何差别，区分仅体现在毛坯成型的工艺方式。3D打印的L

6、ENS和SLM工艺均已比较成熟，无论是采纳激光还是电子束作为能量源，无论是运用粉材还是丝材作为基材，材料本身的理化条件并不会因为加工方式不同而改变。按现有技术，近净成型烧结的材料理论密度比锻造低近1%，选区熔化方式成型的粉末材质密度相对较小，与锻造件的密度差别也在3%以内，工艺实现条件越好材料密度差异就越小。无论采纳什么样的3D成型方式，同样零件的材料性能假如没有大的差别，零件的制成品重量就不会存在明显的差别。所以说，3D打印坯材加工方式取得的减重效应特别有限，考虑到目前3D打印的材料性能还不够完善，相比成熟的锻造结构容限保险设计更多，同样设计结构件的净重甚至还要重些。 根据已公开的数据看，3

7、D打印钛合金零件的成品件，抗拉强度和硬度已达到锻件的标准，但疲惫寿命和裂纹容限受工艺影响较大，将来相当时间里还缺乏全面替代锻造的条件。美国飞机制造中大量应用整体锻造框架，对高风险的3D打印的应用不够主动，就是考虑到了制成品寿命和质量限制困难的因素。中国在新机制造上应用3D打印承力结构的同时，还投入很大资金和技术力气开发大型锻压机，也是因3D打印无法解决大型制造成品的批生产要求。3D打印与锻/铸造各有优势，只要航空设计和生产体系还基于传统工业技术，锻/铸和轧压仍将是主要工艺成型手段，3D打印的结构减重效应就很难得到体现。 基于制造技术突破的减重措施 根据减重标准对比，3D打印的密度与锻造的差异不

8、到1%，而要实现避开缺陷和改善材料性能的目标，密度差异其实是越小越好。根据实际生产条件去对比，某简洁框架的成品重量假如接近300千克，模锻件毛坯重量大致在2 730千克左右，3D打印的框架毛坯重量可以降低到接近500千克，但成品重量与锻造的理论区分还不到1千克，仅比整体机械加工的尺寸误差换算值略大。所以说，从成品重量这个最终指标去对比，3D打印减重效果几乎可以忽视不计。 那么宣扬资料中减重40%的说法是怎么来的？这要从飞机结构工艺去说明。现代航空制造的金属成品结构越困难加工难度就越高，许多组合曲面结构还必需依靠数控设备加工。第三代之后的先进战斗机采纳翼身融合气动设计，很大程度上改善了飞机的结构

9、强度和设计性能。这种设计其实在上世纪30年头就已经存在，但在喷气战斗机应用前期没运用。融合体结构框架存在大量连续曲面，制造这些曲面的工艺难度特别大，角度限制和表面连续性加工工艺要求高，很难依靠一般机加工设备成批制造。数控设备在上世纪73年头大量应用后，三轴数控机床成为曲面加工的手段，飞机也就起先更多利用结构曲面改善气动设计。 连续曲面变角度结构势必会产生半封闭空间。设计师在设计机体结构时必需考虑到可加工因素，半封闭或封闭困难结构难以整体成型加工，必需分解成多个独立的可加工零件，采纳组合件的方式满意结构外形与工艺的要求。组合件的问题是每个零件都必需满意独立强度要求，结构件和桁条等结构也要保证独立

10、承力的厚度。采纳铆接和螺接组合零件时，标准件紧固位置的孔强度还必需高于零件强度。 假如要用螺栓固定某根壁厚2毫米的L型型材，每个螺栓孔位置的厚度要超过平均厚度，假如采纳铆钉则须要平均分布多个铆钉孔。组合件组合要求增加了零件的结构重量，组合用标准件也增加了整体重量，对于某些小型的困难轻金属结构，组合用标准件的重量甚至比零件本身的重量还要高。 假如能够通过工艺手段干脆成型组合件，一体化结构将实现明显的减重效果。如两个组合件的对合壁板厚度均为2毫米，将其一体成型后的整体壁板只须要不到3毫米，取消铆钉施工要求又可以明显降低重量。美国在F-16战斗机改进设计中，曾经在前机身结构改进中应用精密铸造件，用整

11、体铝合金铸件替代铆接组合件，使替代总重量超过11千克的组合件的精铸件重量降低到4.7千克。利用复合材料替代金属材料时，虽然复合材料壁板的单体结构重量比铝合金高，但用桁条胶接为整体结构的复合材料壁板，却能够取消组合件的独立桁条和固定铆钉，总重量反而比组合金属结构降低了接近30%。 3D打印干脆体现的减重优势主要就是打印出困难的封闭/半封闭零件，干脆取代由多个零件组成的组合件，零件重量可以大幅度降低，固定零件的铆钉和螺栓的数量也可以削减，这才是3D打印减重最干脆的应用方式。 3D打印无人机侧视 飞机结构一体化减重是效果最明显的措施。航空系统很早就在争取实现结构件一体化，尤其是复合材料应用到航空结构

12、件后，曲面加筋壁板这种整体结构相比金属组合件，已经表现出很突出的减重和降低零件数量的优势。复合材料工艺水平发展很快，现在已经出现全复合材料的飞机，但复合材料不仅存在成本高和工艺难度大的问题，大部件制造还存在维护和修理难度高的运用困难，限制了复合材料在飞机结构大部件方面的应用范围。现代复合材料还无法取代结构件的金属材料，3D打印则通过高度敏捷的成型手段，有利于实现金属和多种金属/非金属组合结构的一体化，与复合材料共同组成航空轻重量结构。 3D打印不仅在结构制造上可以发挥减重作用，也有利于成品安装和系统布局的减重和改进。机载成品安装支架或运动装置的支撑结构困难，又不是承力结构，很适合采纳3D打印方

13、式制造。假如把现在普遍采纳的组合件用3D整体件替代，利用高尺寸精度的选区熔化方式一体成型，将有利于提高结构一样性和装卸更新的便利性。 飞机的各种液体和气体导管种类许多，分布广泛，管道走向还要避开结构件和成品，没有方法在飞机内部设置长距离的直管。机载液、气管线存在许多弯曲度大的转角，为保证管道弯曲时的机械性能，必需在大的转角位置采纳转向接头，消退因为小半径弯管产生的应力集中，这就使管线敷设中须要运用许多工艺接头。假如能够在保证安装和更换便利性的同时，3D打印出整体弯管替代传统的机械弯管、扩口和接头固定，将在保证管道弯曲尺寸要求的同时，降低管线的零件数量，提高机械性能。取消接头还能削减渗漏检查和维

14、护的接口数量，一体成形的光滑内壁还可以优化管道内部液体和气体流淌效果。 3D打印无人机的机翼结构特写 3D打印对复合材料的支持 3D打印不仅可以用于金属和非金属材料，还能够用于碳纤维这类复合材料的制造。 现代航空复合材料主要采纳丝材铺、绕和树脂固化。复合材料丝材采纳铺带方式叠层制造成型，使复合材料大都呈现平均厚度的平面结构，组合件则采纳粘接或标准件固定的方式。假如将3D打印技术应用于复合材料制造，将丝材的铺叠和树脂填充由平面对立体发展，能够使复合材料困难结构件一体成型，省去零件粘接和共固化的后续工艺过程，降低复合材料整体部件的制造周期，并避开组合加工过程限制中可能出现的工艺缺陷。 3D打印可以

15、制造出立体网格形的困难结构，每个网格的空间尺寸可以达到高度一样，虽然网格结构并不适合独立作为航空部件，但却可以成为航空复合结构件的基材。网格结构基材与复合材料纤维组合，利用树脂固化/烧结金属/陶瓷与复合材料，能较好兼顾强度、曲面外形和安装组合的要求。高性能航空发动机全复合材料叶片与金属叶盘组合时，不同的材料机械、热性能对工艺要求很高，设计和施工难度也很大。假如用3D打印技术将金属基材料与复合材料组合制成叶片，金属的叶根与盘体材料性能一样，能明显降低发动机叶盘的组装难度，也有利于在发动机改进中干脆替代全金属叶片，为发动机整体减重供应特别大的改进空间。 3D打印的飞机零件 3D打印的应用限制 3D

16、打印能够有效提高航空产品的工艺和制造水平，通过结构减重改善航空器性能的潜力也很大，但实际应用所面对的技术局限也特别明显，干脆限制了3D打印在航空制造领域的应用范围。 3D打印的一体化制造能够取得减重效应，那把飞机的大部件都用3D打出来不行吗？飞机大部件全3D打印的技术难度并不算大，目前国外已实现长度超过5米，直径1.2米矩形框的3D整体成型，将飞机前机身的框架一体化制造，在加工工艺方面是没有问题的。理论上只要结构材料相同，大部件整体打印并没有什么难度，选区熔化成型件的表面粗糙度比较高，基本能满意替代钣金组合件的工艺要求。问题是现在的飞机结构并不仅是要满意尺寸要求，而是要满意飞机运用和维护的各方

17、面须要。 现代作战飞机的机载设备分布全机，飞行限制、燃料和电源系统的导管与线缆同样分布广泛。遍布全机的设备和管线须要频繁维护，这就要求飞机表面必需开有对应的检查口盖，先进战斗机的表面开口率甚至可以超过60%。设备检查开口须要内部结构避让，机体结构还要留出故障件更换所需的操作空间。假如机体结构的大部件实现一体化，内部成品设备和导管等无法分解的部件，将很难利用外场维护条件实现无损更新。假如把内部设备分解扮装配，成品与导管增加的接头和组合件，又会在很大程度上消耗掉结构整体化的收益，增加外场修理和检查难度将恶化飞机的完好率，也不利于军用飞机随运用过程进行改装完善。现代军用飞机的改进很频繁，如美国海军已

18、退役的F-14舰载战斗机，各种设备和结构随飞机生产过程调整，最终几乎不存在两架结构和成品完全一样的飞机。假如实现3D打印大部件干脆替代组合件，现在的许多改进措施事实上将无法应用，或在改进中必需对结构进行大范围更换，时间与资金的消耗干脆限制了飞机改造的效费比。事实上，越是功能和设备简洁的飞机越简单实现一体化，越是设备和功能要求困难的飞机，对结构可拓展性和包涵性的要求就越高，采纳大规格一体化结构的难度和全寿命成本就越大。维护难度是限制大规格一体化结构的难点，飞机本身的运用特点更影响到整体结构的应用范围。 现代喷气战斗机的飞行速度可达到M1.5，地面停放时的低温可达到-50，飞行时也存在结冰等低温环

19、境的影响，但驻点温度在高速飞行时甚至要超过一百零一度，M2以上速度的驻点温度甚至可以达到200，机体外表和结构还要承受高速飞行的速压。同时，飞机内部设备舱和管线须要进行温度和压力限制，发动机段存在高温区，均使机体结构和蒙皮要反复承受高/低温柔压力变换的影响。金属材料在飞机运用过程中，不同材料和结构存在不同的膨胀系数，不同运用环境将对结构产生多种状态的应力。整体固定结构势必集中承受这些应力作用，大规格整体结构很难平衡各种因素的影响，很简单因为应力集中和传导产生破损和裂纹，结构损坏将主要集中在零件的折角和孔位。组合件虽然在加工和运用中存在问题，但组合件本身就是个分解应力的分散结构，更简单承受飞机运

20、用的恶劣环境要求，出现结构变形和裂纹时也便利更换破损零件，这也是3D打印大部件难以替代的技术优势。 3D打印大部件的应用前景 3D打印可以支持航空设计师实现梦寐以求的组合件最大化，以及最小扮装配量的高经济性目标。通过3D打印技术制造整体零件，有条件把维护和结构允许的部分一体化，大幅度削减因为零件数量和装配工艺所产生的重量，使飞机设计和装配的难度明显得到降低。国内外现阶段3D打印的应用范围还不大，主要集中在困难零件的快速原型和小批制造，但以铸造件对航空装备减重的效果作为依据，只要突破了设计和应用方面的几个关键点，3D打印一体化应用的发展将是必定的趋势。 随着3D打印技术应用成熟度的提高，也将出现

21、相应的工艺和制造规范。3D打印只要突破整体大部件材料积累速度和制成品质量/寿命限制的难关，将会首先在大型民用和军用特种飞机制造中得到应用。民用大飞机的优点是结构尺寸大，机体开口比例低，飞机交付后一般不会进行大的结构改动，适合3D打印一体化大部件的应用。根据空客公司的设想，将来的民用飞机可以利用3D打印的方式，采纳“鸟巢”式网格结构整体成型机体，用透亮件填充框架，让民用客机拥有“花房”式全景布局的机体，最大化发挥3D打印所带来的性能和运用优势。 国外已经制造出全3D打印的无人机的机体和发动机，实现用3D打印生产小型化、低维护要求航空产品的目标。根据国外航空企业的远景规划，到2050年就有实现飞机

22、整体结构3D打印成型的可能，届时将会出现由3D打印大部件组成的好用型民用中、大型航空器。 3D打印实际应用的成本和成熟性 3D打印的微型航空发动机进行测试 3D打印可降低毛坯件重量和削减机加工时间，能提高生产速度和降低成本，但这只是比较零件的后期加工费用，而没有考虑到全生产周期的综合成本。 3D打印须要精细度很高的粉材作为基材。高精细度和高纯度的粉材，制造工艺和单位重量成本远高于金属坯材基料。一般的民用塑料件每千克成本不过几十元，可用于3D打印的同材料粉材每千克成本上一百零一元，进口高品质粉材的成本可达几一百零一元，航空用金属材料的坯、粉材料成本差异也大体相像。事实上，3D打印的基材本身就要对

23、原坯进行特地的加工，使冶炼坯料成为可用于烧结的高纯度粉材，而宣扬3D打印时却很少考虑这方面的生产周期和成本。严格说起来，常规锻件由铸造的坯材轧压成型后加工，与先制成粉材后再通过烧结方式3D成型后加工，综合成本必需统计整个生产周期的成本，而不是仅去对比毛坯件成型和机加工周期成本。 3D打印航空零件虽然已经实际应用了十几年，但作为关键件运用的历史并不长，没有哪个型号真正完成了全寿命实际运用的验证。3D打印零件的试验数据的确比较志向，但与经过上一百零一年传承的常规工艺相比，3D打印存在有许多还不够清楚的应用问题，须要经过长时间运用才能够积累足够的数据。 3D打印减重最干脆的措施就是实现结构一体化，而

24、没有得到完整的设计体系支持的一体化，仅能在生产制造阶段发挥干脆作用，在周期最长的运用阶段的经济效益却缺乏验证，而且存在比常规工艺更大的质量限制风险。3D打印零件须要长时间运用才能积累应用数据，目前设计师和运用者都不敢放开3D打印的应用范围。 3D打印能适应困难的结构设计，工艺实现难度比铸/锻要低。但是，3D打印单件与批量的生产消耗没有差异，相比之下，锻/铸生产制造出模具就可以重复制造，批生产消耗明显低于首件。因此，达到批生产效益平衡点的可以利用3D制造，否则还是应采纳常规方式。 现代军机的正常生产周期在1年左右，飞机寿命却能达到30年，结构寿命也有近万飞行小时，这个期间所面对的问题远比生产周期

25、更多，也更困难。3D打印用于设计验证与原型机的快速制造时，短周期和低成本的优势明显，假如把3D打印零件广泛用于批生产型号，带来的缩短生产周期和降低成本的收益是否能平衡全寿命周期内的风险还是问号。3D打印是足以影响航空设计和制造的前沿技术，但这种技术真正融合到航空工艺体系中，所须要的时间和应用探讨还远非现在的规模所能企及。 第14页 共14页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页