全球3D打印技术在航空领域中的应用前景分析
来源：南极熊阅读：
基于制造技术突破的减重措施
按照减重标准对比，3D打印的密度与锻造的差异不到1%，而要实现避免缺陷和改善材料性能的目标，密度差异其实是越小越好。按照实际生产条件去对比，某简单框架的成品重量如果接近300千克，模锻件毛坯重量大致在2700千克左右，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别还不到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略不计。
那么宣传资料中减重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复杂加工难度就越高，很多组合曲面结构还必须依靠数控设备加工。第三代之后的先进战斗机采用翼身融合气动设计，很大程度上改善了飞机的结构强度和设计性能。这种设计其实在上世纪30年代就已经存在，但在喷气战斗机应用前期没使用。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非常大，角度控制和表面连续性加工工艺要求高，很难依靠普通机加工设备成批制造。数控设备在上世纪70年代大量应用后，三轴数控机床成为曲面加工的手段，飞机也就开始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须考虑到可加工因素，半封闭或封闭复杂结构难以整体成型加工，必须分解成多个独立的可加工零件，采用组合件的方式满足结构外形与工艺的要求。组合件的问题是每个零件都必须满足独立强度要求，结构件和桁条等结构也要保证独立承力的厚度。采用铆接和螺接组合零件时，标准件紧固位置的孔强度还必须高于零件强度。如果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，如果采用铆钉则需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，对于某些小型的复杂轻金属结构，组合用标准件的重量甚至比零件本身的重量还要高。如果能够通过工艺手段直接成型组合件，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需要不到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打印直接体现的减重优势主要就是打印出复杂的封闭/半封闭零件，直接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减少，这才是3D打印减重最直接的应用方式。
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维修难度高的使用困难，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打印则通过高度灵活的成型手段，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复杂，又不是承力结构，很适合采用3D打印方式制造。如果把现在普遍采用的组合件用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致性和装卸更新的方便性。
飞机的各种液体和气体导管种类很多，分布广泛，管道走向还要避开结构件和成品，没有办法在飞机内部设置长距离的直管。机载液、气管线存在很多弯曲度大的转角，为保证管道弯曲时的机械性能，必须在大的转角位置采用转向接头，消除因为小半径弯管产生的应力集中，这就使管线敷设中需要使用很多工艺接头。如果能够在保证安装和更换方便性的同时，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。取消接头还能减少渗漏检查和维护的接口数量，一体成形的光滑内壁还可以优化管道内部液体和气体流动效果。
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用丝材铺、绕和树脂固化。复合材料丝材采用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，组合件则采用粘接或标准件固定的方式。如果将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向立体发展，能够使复合材料复杂结构件一体成型，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，并避免组合加工过程控制中可能出现的工艺缺陷。3D打印可以制造出立体网格形的复杂结构，每个网格的空间尺寸可以达到高度一致，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。如果用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致，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直接替代全金属叶片，为发动机整体减重提供非常大的改进空间。
按照减重标准对比，3D打印的密度与锻造的差异不到1%，而要实现避免缺陷和改善材料性能的目标，密度差异其实是越小越好。按照实际生产条件去对比，某简单框架的成品重量如果接近300千克，模锻件毛坯重量大致在2700千克左右，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别还不到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略不计。
那么宣传资料中减重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复杂加工难度就越高，很多组合曲面结构还必须依靠数控设备加工。第三代之后的先进战斗机采用翼身融合气动设计，很大程度上改善了飞机的结构强度和设计性能。这种设计其实在上世纪30年代就已经存在，但在喷气战斗机应用前期没使用。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非常大，角度控制和表面连续性加工工艺要求高，很难依靠普通机加工设备成批制造。数控设备在上世纪70年代大量应用后，三轴数控机床成为曲面加工的手段，飞机也就开始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须考虑到可加工因素，半封闭或封闭复杂结构难以整体成型加工，必须分解成多个独立的可加工零件，采用组合件的方式满足结构外形与工艺的要求。组合件的问题是每个零件都必须满足独立强度要求，结构件和桁条等结构也要保证独立承力的厚度。采用铆接和螺接组合零件时，标准件紧固位置的孔强度还必须高于零件强度。如果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，如果采用铆钉则需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，对于某些小型的复杂轻金属结构，组合用标准件的重量甚至比零件本身的重量还要高。如果能够通过工艺手段直接成型组合件，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需要不到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打印直接体现的减重优势主要就是打印出复杂的封闭/半封闭零件，直接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减少，这才是3D打印减重最直接的应用方式。
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维修难度高的使用困难，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打印则通过高度灵活的成型手段，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复杂，又不是承力结构，很适合采用3D打印方式制造。如果把现在普遍采用的组合件用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致性和装卸更新的方便性。
飞机的各种液体和气体导管种类很多，分布广泛，管道走向还要避开结构件和成品，没有办法在飞机内部设置长距离的直管。机载液、气管线存在很多弯曲度大的转角，为保证管道弯曲时的机械性能，必须在大的转角位置采用转向接头，消除因为小半径弯管产生的应力集中，这就使管线敷设中需要使用很多工艺接头。如果能够在保证安装和更换方便性的同时，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。取消接头还能减少渗漏检查和维护的接口数量，一体成形的光滑内壁还可以优化管道内部液体和气体流动效果。
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用丝材铺、绕和树脂固化。复合材料丝材采用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，组合件则采用粘接或标准件固定的方式。如果将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向立体发展，能够使复合材料复杂结构件一体成型，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，并避免组合加工过程控制中可能出现的工艺缺陷。3D打印可以制造出立体网格形的复杂结构，每个网格的空间尺寸可以达到高度一致，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。如果用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致，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直接替代全金属叶片，为发动机整体减重提供非常大的改进空间。
