3D打印的应用限制


　　3D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非常明显，直接限制了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，基本能满足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足尺寸要求，而是要满足飞机使用和维护的各方面需要。


　　现代作战飞机的机载设备分布全机，飞行控制、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需要频繁维护，这就要求飞机表面必须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%。设备检查开口需要内部结构避让，机体结构还要留出故障件更换所需的操作空间。如果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。


　　如果把内部设备分解化装配，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，增加外场维修和检查难度将恶化飞机的完好率，也不利于军用飞机随使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致的飞机。如果实现3D打印大部件直接替代组合件，现在的很多改进措施事实上将无法应用，或在改进中必须对结构进行大范围更换，时间与资金的消耗直接限制了飞机改造的效费比。


　　事实上，越是功能和设备简单的飞机越容易实现一体化，越是设备和功能要求复杂的飞机，对结构可拓展性和包容性的要求就越高，采用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，飞机本身的使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境的影响，但驻点温度在高速飞行时甚至要超过百度，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需要进行温度和压力控制，发动机段存在高温区，均使机体结构和蒙皮要反复承受高/低温和压力变换的影响。金属材料在飞机使用过程中，不同材料和结构存在不同的膨胀系数，不同使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，很容易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使用中存在问题，但组合件本身就是个分解应力的分散结构，更容易承受飞机使用的恶劣环境要求，出现结构变形和裂纹时也方便更换破损零件，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，以及最小化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，大幅度减少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，主要集中在复杂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然的趋势。


　　随着3D打印技术应用成熟度的提高，也将出现相应的工艺和制造规范。3D打印只要突破整体大部件材料堆积速度和制成品质量/寿命控制的难关，将会首先在大型民用和军用特种飞机(普遍采用民用飞机作为平台)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。按照空客公司的设想，未来的民用飞机可以利用3D打印的方式，采用“鸟巢”式网格结构整体成型机体，用透明件填充框架，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使用优势。


　　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。按照国外航空企业的远景规划，到2050年就有实现飞机整体结构3D打印成型的可能，届时将会出现由3D打印大部件组成的实用型民用中、大型航空器。


　　3D打印实际应用的成本和成熟性


　　3D打印可降低毛坯件重量和减少机加工时间，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打印需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。普通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百元，进口高品质粉材的成本可达几百元，航空用金属材料的坯、粉材料成本差异也大体相似。


　　事实上，3D打印的基材本身就要对原坯进行专门的加工，使冶炼坯料成为可用于烧结的高纯度粉材，而宣传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，综合成本必须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，但作为关键件使用的历史并不长，没有哪个型号真正完成了全寿命实际使用的验证。3D打印零件的试验数据确实比较理想，但与经过上百年传承的常规工艺相比，3D打印存在有很多还不够清晰的应用问题，需要经过长时间使用才能够积累足够的数据。3D打印减重最直接的措施就是实现结构一体化，而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直接作用，在周期最长的使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控制风险。3D打印零件需要长时间使用才能积累应用数据，目前设计师和使用者都不敢放开3D打印的应用范围。


　　3D打印能适应复杂的结构设计，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，否则还是应采用常规方式。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更多，也更复杂。


　　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，如果把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，所需要的时间和应用研究还远非现在的规模所能企及。