常俊超　姜楠

摘 要：3D打印技術(shù)是一種革命的、先進(jìn)的加工制造技術(shù)，已經(jīng)正在快速改變傳統(tǒng)的生活方式和生產(chǎn)加工方式，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視該技術(shù)，并且積極推廣。從3D計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（3D CAD）開(kāi)始，人們希望能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)結(jié)果直接轉(zhuǎn)化為實(shí)物。3D打印技術(shù)將以其革命性的“制造靈活性”和“大幅節(jié)省原材料”在加工制造領(lǐng)域掀起一場(chǎng)革命。它適合于小批量、多品種、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、原材料價(jià)值高的機(jī)械加工制造，因此在航空制造領(lǐng)域，它將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：3D打印 快速成形技術(shù) 航空制造業(yè)

中圖分類(lèi)號(hào)：V261 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）05（b）-0013-01

1 3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

（1）適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速制造，與傳統(tǒng)機(jī)加工藝和模具成形等制造工藝相比，增材制造技術(shù)是將三維實(shí)體加工變?yōu)槿舾啥S平面加工，大大降低了制造的復(fù)雜度。其中，航空類(lèi)產(chǎn)品零件具有顯著特征：產(chǎn)品類(lèi)型復(fù)雜，具有多樣化、小批量等特點(diǎn)；結(jié)構(gòu)趨于整體化和復(fù)雜化，工藝難度大，加工過(guò)程復(fù)雜；大型化、薄壁化特點(diǎn)突出，變形控制極為關(guān)鍵；材料去除量大，切削加工效率問(wèn)題突出；大型結(jié)構(gòu)件毛料價(jià)值高，質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)大。3D打印技術(shù)將以其革命性的“制造靈活性”和“大幅節(jié)省原材料”在加工制造領(lǐng)域掀起一場(chǎng)革命。它適合于小批量、多品種、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、原材料價(jià)值高的機(jī)械加工制造，因此在航空制造領(lǐng)域，它將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。

（2）與傳統(tǒng)大規(guī)模、批量生產(chǎn)需要做大量的工藝技術(shù)準(zhǔn)備以及大量的工裝、復(fù)雜而昂貴的設(shè)備和刀具等制造資源相比，增材制造在靈活性和快速生產(chǎn)方面極具優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)減材制造中，需要將零件以外的毛料全部去除，而且對(duì)設(shè)備刀具要求較高，例如鈦合金（Ti-6Al-4V）零件在加工時(shí)對(duì)設(shè)備及刀具的要求極高，通常在粗加工時(shí)為避免零件過(guò)熱出現(xiàn)點(diǎn)蝕現(xiàn)象，機(jī)床進(jìn)給速度不應(yīng)超過(guò)400mm/min，機(jī)床轉(zhuǎn)速不應(yīng)超過(guò)1000r/min。

2 3D打印在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1 3D打印在國(guó)內(nèi)航空應(yīng)用情況

目前，我國(guó)已經(jīng)具備了使用激光成形超過(guò)12m2的復(fù)雜鈦合金構(gòu)件的技術(shù)和能力，并投入多個(gè)國(guó)產(chǎn)航空科研項(xiàng)目的原型和產(chǎn)品制造中。在解決了材料變形和缺陷控制的難題后，節(jié)約了90%的材料和成本，中國(guó)生產(chǎn)的鈦合金結(jié)構(gòu)部件迅速成為中國(guó)航空研制的一項(xiàng)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。由于鈦合金重量輕，強(qiáng)度高，鈦合金構(gòu)件在航空領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。目前，先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)上的鈦合金構(gòu)件所占比例已經(jīng)超過(guò)20%。傳統(tǒng)的鈦合金零件制造主要依靠鑄造和鍛造。其中鑄造零件易于大尺寸制造，但重量較大且無(wú)法加工成精細(xì)的形狀。鍛造切削雖然精度較好，但是零件制造浪費(fèi)嚴(yán)重，原料95%都會(huì)被作為廢料切掉，而且鍛造鈦合金的尺寸受到嚴(yán)格限制。而且這兩種技術(shù)都無(wú)法制造復(fù)雜的鈦合金構(gòu)件，而焊接則會(huì)遇到可怕的鈦合金腐蝕現(xiàn)象。激光鈦合金成形技術(shù)則完全解決了這一系列難題，由于采用疊加技術(shù)，它節(jié)約了90%十分昂貴的原材料，加之不需要制造專(zhuān)用的模具，原本相當(dāng)于材料成本1～2倍的加工費(fèi)用現(xiàn)在只需要原來(lái)的10%。加工1 t重量的鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，粗略估計(jì)，傳統(tǒng)工藝的成本大約是2500萬(wàn)元，而激光3D快速成型技術(shù)的成本僅130萬(wàn)元左右，其成本僅是傳統(tǒng)工藝5%。更重要的是，許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鈦合金構(gòu)件可通過(guò)3D打印一體成型，節(jié)省工時(shí)，還大大提高材料強(qiáng)度。

2.2 3D打印在國(guó)外航空應(yīng)用情況

近日，空客公司采用增材制造技術(shù)加工的A350XWB寬體飛機(jī)艙體支架獲得“2014年德國(guó)工業(yè)創(chuàng)新大獎(jiǎng)”。該零部件采用激光增材工藝加工。評(píng)委會(huì)認(rèn)為這一跨工業(yè)領(lǐng)域項(xiàng)目正在變革飛機(jī)結(jié)構(gòu)制造方式，可以使民用飛機(jī)中采用更多的輕量化結(jié)構(gòu)。之前，這種零部件采用鋁合金通過(guò)銑削等機(jī)械加工方法制造，現(xiàn)在可以使用鈦合金采用增材制造技術(shù)加工，重量可減輕30%以上。

空客公司認(rèn)為在飛機(jī)制造中采用增材制造技術(shù)具有以下幾個(gè)方面的好處。

（1）采用增材制造，可以使飛機(jī)重量減輕，這樣或是降低飛機(jī)的燃油消耗，或是增加飛機(jī)載重量。

（2）采用增材制造，在早期階段就可能生產(chǎn)出與批量化生產(chǎn)零件結(jié)構(gòu)類(lèi)似的功能樣件，意味著可以在設(shè)計(jì)階段早期就識(shí)別出設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，以及對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。之前預(yù)計(jì)開(kāi)發(fā)這種零部件需要約6個(gè)月，實(shí)際只花費(fèi)了1個(gè)月。

（3）采用增材制造可實(shí)現(xiàn)綠色制造，用銑削等機(jī)加方法加工飛機(jī)零部件制造會(huì)導(dǎo)致95%的原材料浪費(fèi)，而用激光熔融工藝，浪費(fèi)大約只有5%左右。

（4）采用增材制造，對(duì)中小批量零件的制造成本具有積極影響。為實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)，相比大批量制造，飛機(jī)制造中的批量因素更加至關(guān)重要。相比傳統(tǒng)制造工藝，增材制造技術(shù)不僅消除了工具成本，還具有更高的設(shè)計(jì)自由度。

（5）采用增材制造技術(shù)還能夠開(kāi)發(fā)諸多涉及安全的部件，比目前使用的零部件更經(jīng)久耐用。因?yàn)椴捎迷霾闹圃旒夹g(shù)的零部件配以合適的熱處理技術(shù)后，零部件具有更高剛度、更低韌性。

（6）在未來(lái)，采用增材制造技術(shù)使得在不同的地點(diǎn)按需制造備件也成為可能。一旦遇到零部件失效，備件可以在當(dāng)?shù)刂苯由a(chǎn)。這種分散化生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)可以減少運(yùn)輸距離和交付時(shí)間，另外，飛機(jī)中與維護(hù)相關(guān)的停機(jī)時(shí)間和檢測(cè)時(shí)間也可縮短。

（7）增材制造技術(shù)可以生產(chǎn)出及其精細(xì)的骨骼、多孔類(lèi)零部件，使得未來(lái)飛機(jī)制造中，將增材制造與仿生學(xué)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)零部件的仿真學(xué)設(shè)計(jì)制造，進(jìn)一步提高飛機(jī)安全性。

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