（湖南華曙高科技有限責(zé)任公司高分子復(fù)雜結(jié)構(gòu)增材制造國家工程實(shí)驗(yàn)室，長沙 410000）

目前，國內(nèi)在應(yīng)用增材制造技術(shù)直接制造航空器零部件領(lǐng)域已經(jīng)開展了大量積極、有益且成效卓著的工作[1]，這些工作包括基礎(chǔ)研究、應(yīng)用開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展等方面，使得我國在此領(lǐng)域接近世界先進(jìn)水平。其中金屬零部件的直接制造獲得了高度重視，被認(rèn)為是增材制造技術(shù)的制高點(diǎn)，但對(duì)高分子材料零部件的直接制造關(guān)注甚少，尚未意識(shí)到其對(duì)我國多快好省地制造航空器的巨大經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。與世界頂級(jí)航空制造公司的發(fā)展思路相比，國內(nèi)存在一定認(rèn)識(shí)上的差距。

GE90-94B航空發(fā)動(dòng)機(jī)上以鈷鉻合金為材料，用增材制造技術(shù)制造的T25傳感器外殼，于2015年2月通過美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）的認(rèn)證。通用電氣和賽峰集團(tuán)合資的CFM公司建造的裝有3D打印燃料噴嘴的LEAP-1C3D打印噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，于2016年12月獲得FAA和歐洲航空安全協(xié)會(huì)(EASA)的批準(zhǔn)。截止到當(dāng)前，全球范圍內(nèi)經(jīng)權(quán)威機(jī)構(gòu)正式認(rèn)證的飛機(jī)金屬增材制造零件，僅有上述兩例；而高分子材料增材制造零部件，在波音飛機(jī)上正式使用已近20年之久，累計(jì)總量在10萬件以上。

將增材制造技術(shù)與航空產(chǎn)業(yè)深度融合，做好統(tǒng)籌規(guī)劃與頂層設(shè)計(jì)，同等程度地重視用金屬和高分子材料增材制造技術(shù)直接進(jìn)行航空器零部件的制造，是促進(jìn)產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

增材制造技術(shù)概述

在國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO/ASTM 52900）中，增材制造技術(shù)（AM技術(shù)）被定義為：“相對(duì)于減材制造和等材制造，以三維模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過增加材料來制造零件或?qū)嵨锏墓に??！边@里提到的“增加材料”，是以分層疊加的方式實(shí)現(xiàn)的。國際增材制造領(lǐng)域知名的市場(chǎng)咨詢公司沃勒斯協(xié)會(huì)（Wohlers Associates）將增材制造技術(shù)概括為7大類別，如圖1所示。

其中已用于航空零部件直接制造的主要有4類：選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）、電子束熔融（EBM）、選區(qū)激光熔化（SLM）和直接能量沉積（LENS）。后3種技術(shù)用于鈦合金、鋁合金、鈷鉻合金及鎳基高溫合金等金屬零部件的直接制造。

以尼龍粉末為材料的選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)，則用于高分子航空零部件的直接制造，因?yàn)檫@種技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

（1）成型件強(qiáng)度最高，可直接制造終端零部件。與其他4種非金屬AM技術(shù)相比，SLS技術(shù)成型件接近相應(yīng)的注塑成型件的強(qiáng)度?？芍苯邮褂酶叻肿硬牧现圃旖K端功能性產(chǎn)品。

（2）小批量生產(chǎn)成本低。對(duì)于批量不是很大、形狀極其復(fù)雜的工件而言，可省去中間環(huán)節(jié)直接制造終端零部件，與傳統(tǒng)工藝及其他AM技術(shù)相比具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)。

（3）制造產(chǎn)品的材料使用量，接近原材料的消耗量。與傳統(tǒng)的減材制造相比，可減少60%～90%的原材料消耗，對(duì)于航空器常用的貴重材料而言，是極其重要的。

（4）對(duì)設(shè)計(jì)者創(chuàng)新思維約束最少。SLS技術(shù)不需要支撐及去除，設(shè)計(jì)人員可完全根據(jù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，無需顧及由于形狀復(fù)雜、制造困難或根本無法制造而產(chǎn)生的思維困擾，有更開闊的想象空間。

高分子材料增材制造飛機(jī)零部件的應(yīng)用現(xiàn)狀

自20世紀(jì)90年代中期起，波音及Bell Helicopter等公司就開始了飛機(jī)非結(jié)構(gòu)件高分子材料的增材制造。近20年間，已有近20種民用或軍用飛機(jī)、逾200種零部件運(yùn)用了增材制造。正式裝機(jī)使用的均為SLS高分子材料零部件，在不同的機(jī)型上使用的增材制造零部件12～60個(gè)不等。2015年，波音公司在10個(gè)不同的機(jī)型上，安裝的高分子材料增材制造零部件就超過20000個(gè)[2-3]。F/A-18超級(jí)大黃蜂的前機(jī)身區(qū)域約有150個(gè)零部件是用選擇性激光燒結(jié)（SLS）增材制造技術(shù)制造的。

美國空軍的AH-64D長弓阿帕奇直升機(jī)項(xiàng)目，引入SLS技術(shù)進(jìn)行原型和零部件直接制造，大大降低了模具成本及設(shè)計(jì)返工幾率，在4個(gè)月內(nèi)應(yīng)用SLS技術(shù)制造超過400個(gè)零部件。

圖1 增材制造技術(shù)分類Fig.1 Additive Manufacturing classification

空客公司運(yùn)用高分子增材制造技術(shù)制造軍事和商用機(jī)中用于承載線路管道的塑料托架、夾具、內(nèi)飾等零部件，累積裝機(jī)使用零部件45萬～60萬個(gè),在其近期推出的“空客A350 XWB”上，使用了上千件直接3D 打印而成的零部件[2，4]。

高分子材料增材制造飛機(jī)零部件的基本動(dòng)因

世界頂級(jí)航空制造企業(yè)之所以高度重視高分子材料增材制造技術(shù)，并非期待某種轟動(dòng)效應(yīng)，更多是因?yàn)樵摷夹g(shù)可直接制造航空器零部件，其突出優(yōu)勢(shì)在于可大幅度降低產(chǎn)品制造和產(chǎn)品全生命周期的運(yùn)營成本，完全源于航空制造企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的驅(qū)動(dòng)。

（1）減少制造程序，降低制造成本，加快制造周期。

飛機(jī)制造屬于小批量工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品。飛機(jī)上的許多零部件，如機(jī)艙內(nèi)飾件、通風(fēng)氣道及活動(dòng)送風(fēng)口、座椅、小桌、駕駛艙儀表盤、各類插接件、緊固件、液體容器、各類箱體等，本來就是由高分子材料制造而成。這類零部件的傳統(tǒng)制造一般需使用模具，這對(duì)小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)而言，成本非常高。增材制造基于產(chǎn)品的數(shù)字模型，可實(shí)時(shí)加工部件，不再需要設(shè)計(jì)和制作模具，簡化了工藝，節(jié)省了模具設(shè)計(jì)、制造必需的時(shí)間和高額資金，極大縮短了產(chǎn)品研發(fā)和制造周期，降低了新機(jī)型的整機(jī)制造成本。

（2）降低零配件庫存，控制飛機(jī)全生命周期的運(yùn)營成本。

飛機(jī)的服役期長達(dá)20～30年，采用增材制造技術(shù)直接制造零配件，可按需制造，實(shí)現(xiàn)相關(guān)備品配件的零庫存，從而大幅減少飛機(jī)服役期內(nèi)零配件制造的資金持續(xù)占用，以及相關(guān)的運(yùn)輸、倉儲(chǔ)費(fèi)用，零配件制造設(shè)備的維護(hù)、保養(yǎng)和場(chǎng)地占用費(fèi)用。

（3）優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)，減輕產(chǎn)品重量。

對(duì)于大型飛機(jī)而言，1kg的減重將為其服役期節(jié)約45000升的燃油，研發(fā)高性能的高分子材料，并采用各種輕量化或拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)，以增材制造零部件部分替代原有的金屬制品，可減輕飛機(jī)自重，最多可降低50%，從而在飛機(jī)的全服役期內(nèi)減少燃油消耗；節(jié)省的空間也可以有效讓給燃油、有效載荷、武器等帶來的質(zhì)量；同時(shí)，過去依靠傳統(tǒng)制造難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)，也可以方便造出，提升了航空航天業(yè)的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力。

（4）提高材料利用，降低制造成本。

航空部件從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)包括后期維修都需要用到大量價(jià)格昂貴的材料，而增材制造高達(dá)90%以上材料利用率，與航空工業(yè)節(jié)省成本的需求十分契合。

（5）更易于通過適航認(rèn)證。

飛機(jī)用高分子材料零部件多屬于非承力件或低載荷承力件，相對(duì)于金屬承力零件而言，更容易通過適航認(rèn)證。

用高分子材料增材制造飛機(jī)零部件的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)

波音公司從近20年前開始，在零部件制造中就使用各類高分子材料，絕大多數(shù)是尼龍11和尼龍12，這類材料的綜合機(jī)械性能可以滿足相關(guān)零部件直接制造的要求。Harvest Technology、Solid Concepts等專業(yè)的3D打印服務(wù)商采用上述材料定期為波音公司批量生產(chǎn)SLS零部件用于其軍事和商用飛機(jī)。與之前相比，當(dāng)今的選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)從設(shè)備的性能、可用材料的種類和特性，以及成型工藝等方面都有了長足的進(jìn)步。

國內(nèi)企業(yè)與科研院所經(jīng)過近幾年的努力，在選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)領(lǐng)域取得了許多創(chuàng)新成果，研制出了一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的裝備（圖2）及粉末材料，并成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化推廣，為高分子增材制造技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)零部件提供了堅(jiān)實(shí)的裝備與原材料保障。

國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)與國際先進(jìn)水平完全有可比性，兩者材料的機(jī)械性能對(duì)比如下。

（1）國產(chǎn)增材制造專用尼龍12系列材料。

表1的第2列為國產(chǎn)尼龍F(tuán)S 3200 PA[5]的性能數(shù)據(jù)（來源于第三方檢測(cè)報(bào)告）；第3列DuraForm?PA[6]、第 4列 EOS 2200[7]和 第 5列ALM PA650分別為美國3D SYSTEMS公司、德國EOS公司和美國ALM公司以德國EVONIC公司出產(chǎn)的尼龍?jiān)牧蠟榛A(chǔ)推出的純尼龍材料的性能數(shù)據(jù)（來源于各自官網(wǎng)）?？梢钥闯觯瑖a(chǎn)純尼龍材料在強(qiáng)度上與國外產(chǎn)品接近，但其韌性明顯優(yōu)于國外產(chǎn)品。

表2的第2列為國產(chǎn)尼龍/玻璃微珠復(fù)合材料FS 3400GF[8]的性能數(shù)據(jù)（來源于第三方檢測(cè)報(bào)告）；第 3列 DuraFormGF[9]、第 4列EOS3200GF[7]分別為美國3D SYSTEMS公司和德國EOS公司以德國EVONIC公司出產(chǎn)的尼龍?jiān)牧蠟榛A(chǔ)推出的相應(yīng)復(fù)合材料的性能數(shù)據(jù)（來源于各自官網(wǎng)）。

表3第2列為國產(chǎn)尼龍/碳纖維復(fù)合材料FS 3400CF[10]的性能數(shù)據(jù)（來源于第三方檢測(cè)報(bào)告）；第3列為德國EOS公司CarbonMide PA12-CF[7],第4列為美國ALM公司以德國EVONIC公司出產(chǎn)的尼龍?jiān)牧蠟榛A(chǔ)推出的相應(yīng)復(fù)合材料的性能數(shù)據(jù)（來源于各自官網(wǎng)）。

圖2 國產(chǎn)選區(qū)激光燒結(jié)裝備Fig.2 Domestic selection of laser sintering equipment

表1 純尼龍材料性能對(duì)照

表1～3中所示的純尼龍材料FS3200PA、尼龍基玻璃微珠復(fù)合材料FS3400GF、尼龍基碳纖維復(fù)合材料FS3400CF均是與國際主流尼龍材料相對(duì)應(yīng)的材料。

（2）增材制造專用尼龍6材料。

尼龍6等材料由于具有特別優(yōu)異的機(jī)械性能、熱變形性能等，應(yīng)用廣泛，成為汽車、飛機(jī)等工業(yè)制造中使用的主流工程塑料，非常適合商業(yè)化應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化推廣。純尼龍材料FSPA6[11]，是湖南華曙高科技有限責(zé)任公司與德國BASF公司于2015年11月面向全球市場(chǎng)共同推出的新型、高性能尼龍材料。

尼龍6與尼龍12材料的性能對(duì)比，如表4所示。數(shù)據(jù)（來源于第三方檢測(cè)報(bào)告）表明，尼龍6較尼龍12系列材料有更好的綜合機(jī)械性能與耐熱性能。

表2 尼龍/玻璃微珠復(fù)合材料性能對(duì)照

表3 尼龍/碳纖維復(fù)合材料性能對(duì)照

表4 尼龍6與尼龍12系列材料性能對(duì)照

高分子材料零部件增材制造與我國航空事業(yè)的發(fā)展

經(jīng)過60多年的努力，我國已經(jīng)初步建立了獨(dú)立自主的航空工業(yè)體系，成功研制殲 15、殲 20、運(yùn) 20、武直10等為代表的軍用飛機(jī)；民用機(jī)方面，“新舟”系列已交付百架，ARJ21支線客機(jī)已投入營運(yùn)，大型干線客機(jī)C919已經(jīng)首飛成功，小型無人機(jī)和通航飛機(jī)正在快速發(fā)展?？偟膩碚f，我國航空制造業(yè)發(fā)展較快，市場(chǎng)尤其是通航制造市場(chǎng)潛力巨大。未來20年，全球航空旅客周轉(zhuǎn)量將以平均每年4.7%的速度遞增，預(yù)計(jì)將有37049架新機(jī)交付（價(jià)值約48235億美元），其中渦扇支線客機(jī)4673架（價(jià)值超過2081億美元），單通道噴氣客機(jī)24144架（價(jià)值達(dá)2.25萬億美元），雙通道噴氣客機(jī)8232架（價(jià)值約2.37萬億美元）。中國市場(chǎng)將接收50座以上客機(jī)6218架（價(jià)值約8037億美元），其中50座以上渦扇支線客機(jī)773架（價(jià)值347億美元），單通道噴氣客機(jī)4195架（價(jià)值3900億美元），雙通道噴氣客機(jī)1250架（價(jià)值3800億美元）。（資料來源：《2015-2034年民用飛機(jī)市場(chǎng)預(yù)測(cè)年報(bào)》，中國商飛）。2015年起我國啟動(dòng)實(shí)施“中國制造2025”等國家戰(zhàn)略，明確重點(diǎn)發(fā)展和突破“航空裝備和航天裝備”，其中航空裝備包括了大型飛機(jī)、寬體客機(jī)、干支線飛機(jī)、直升機(jī)、無人機(jī)和通用飛機(jī)產(chǎn)業(yè)化，以及突破開發(fā)先進(jìn)機(jī)載設(shè)備及系統(tǒng)，形成自主完整的航空產(chǎn)業(yè)鏈。

充分利用現(xiàn)有高分子增材制造技術(shù)直接制造航空器零部件，無疑將多快好省地推動(dòng)產(chǎn)業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展。

建議與展望

（1）盡快啟動(dòng)專項(xiàng)研究，全面分析研究航空器所用高分子材料產(chǎn)品的種類、數(shù)量、現(xiàn)有制造方法、生產(chǎn)成本及有待進(jìn)一步研究解決的問題；深入研究當(dāng)前增材制造技術(shù)裝備的實(shí)際制造水平與能力，全面評(píng)估已有可用于航空器功能性零部件直接生產(chǎn)的高分子基體材料和復(fù)合材料，并以定量方式開展相關(guān)零部件的增材制造方法與傳統(tǒng)制造方法間的比較研究，以及這兩種方式在航空器全壽命周期內(nèi)對(duì)應(yīng)成本的比較研究；為高分子材料增材制造航空器零部件奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（2）在上述專項(xiàng)研究的基礎(chǔ)上，從新型航空器設(shè)計(jì)研發(fā)階段開始，凡可以使用高分子增材制造的零部件，完全采用該項(xiàng)技術(shù)制造。在制造階段，不做相應(yīng)的模具設(shè)計(jì)、制造，直接省下相關(guān)費(fèi)用；在航空器服役期內(nèi)，省下零配件的倉儲(chǔ)、運(yùn)輸、管理費(fèi)用及零配件從制造出來開始到實(shí)際使用為止，這一時(shí)間段內(nèi)的資金占用。

我國的大中型飛機(jī)制造產(chǎn)業(yè)尚處于起步階段，通盤考慮上述問題，做好頂層設(shè)計(jì)，可避免重蹈發(fā)達(dá)國家高分子航空器零部件制造模具“先造再棄”的覆轍，更省更快地推動(dòng)事業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 李滌塵,蘇秦,盧秉恒.增材制造——?jiǎng)?chuàng)新與創(chuàng)業(yè)的利器[J]. 航空制造技術(shù)，2015(10)：40-43.

LI Dichen,SUQin,LUBingheng.Additive manufacturing ,a powerful weapon of innovationandentrepreneurship[J].Aeronautical Manufacturing Technology,2015(10):40-43.

[2]CAFFREY T, WOHLERS T. 3D printing and additive manufacturing state of the industry annual worldwide progress report [R].USA：Wohlers Associates, 2016.

[3]TheBoeingcompany:2016 environment report [EB/OL]. (2016-06-09)[2017-03-13]. http://www.boeing.com/resources/boeingdotcom/principles/ environment/pdf/2016_environment_report.pdf.

[4]The Airbus company: innovative 3D printing solutions are“taking shape” within Airbus [EB/OL]. (2016-08-20)[2017-03-13].http://www.ai- rbus.com/newsevents/newsevents-single/detail/innovative-3d-printingsolutions-are-taking-shape-within-airbus/.

[5] 華曙高科. 3200PA規(guī)格 [EB/OL].[2017-03-20]. http://www.farsoon.com/ wpcontent/uploads/2015/04/3200PA_Specs.pdf.

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[6] The 3D Systems company. DuraForm?PA datasheet[EB/OL]. [2017-03-20]. https://www.3dsystems.com/sites/default/files/2017-01/DS_DuraForm_PA_US.pdf.

[7]The EOS Company. Materialdatacenter[EB/OL].[2017-03-20].http://eos.materialdatacenter.com/eo/en.

[8]華曙高科. 3400GF規(guī)格 [EB/OL].[2017-03-20]. http://www.farsoon.com/ wpcontent/uploads/2015/04/3400GF_Specs.pdf.

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[9]The 3D Systems company. DuraForm?GF datasheet [EB/OL]. [2017-03-20]. https://www.3dsystems.com/materials/duraform-gf/techspecs.

[10]華曙高科. 3400CF規(guī)格 [DB/OL].[2017-03-20]. http://www.farsoon.com/ wpcontent/uploads/2015/04/3400CF_Specs.pdf.

Farsoon Technologies. 3400CF Standard[EB/OL]. [2017-03-20]. http://www.farsoon.com/ wp-content/uploads/2015/04/3400CF_Specs.pdf.

[11]華曙高科. FS PA6規(guī)格 [DB/OL].[2017-03-20]. http://www.farsoon.com/ wpcontent/uploads/2016/02/PA6材料性能.jpg.

Farsoon Technologies. FS PA6 standard[EB/OL]. [2017-03-20]. http://www.farsoon.com/ wp-content/uploads/2016/02/PA6材料性能.jpg.