3D打印技术在航空器制造中的作用与影响

3D打印技术在航空器制造中的作用与影响

周林润  李俊言

中航西安飞机工业集团股份有限公司   陕西西安  710089

摘要：本论文探讨了3D打印技术在航空器制造中的应用与影响。首先概述了3D打印技术的原理、发展历程和应用领域。其次分析了其在航空器制造中的优势，包括制造复杂结构、减少材料浪费和加快产品开发周期、重量优化与性能提升等。然后讨论了面临的挑战，如材料强度、成本效率和标准化认证。最后强调了进一步研究和发展的重要性。

关键词： 3D打印技术；航空器制造；复杂结构；材料浪费；产品开发周期

一、3D打印技术概述

3D打印技术是一种通过将数字模型分层并逐层堆积材料以构建物体的制造方法，是增材制造的一种。其技术原理涵盖了多种方法，如熔融沉积、光固化和粉末烧结等。自20世纪80年代问世以来，3D打印技术已经经历了长足的发展。最初主要用于快速原型制作，但随着技术的不断进步，逐渐应用于医疗、航空航天、汽车等各个领域。在航空航天领域，它被用于制造复杂结构的零部件，减少材料浪费，加快产品开发周期等。同时，它也在医疗领域用于定制化的假体制造和医疗器械生产。

二、3D打印技术在航空器制造中的应用与优势

3D打印技术作为一项革命性的制造技术，在航空器制造领域展现了显著的优势，包括但不限于：

2.1制造复杂结构的能力

传统的制造方法可能无法有效地制造复杂的几何结构，例如内部空腔、复杂曲面等，而3D打印技术能够轻松地实现这些复杂结构的制造。通过逐层堆叠材料的方式，3D打印技术能够直接将设计好的复杂结构以一体化的方式制造出来，从而减少了部件之间的连接面和组装过程，提高了零件的整体强度和性能，对于网络状体有独特的加工优势，对封闭空腔有不可替代的优势。

2.2减少材料浪费

传统的制造方法通常需要从原材料中削减或切割出所需形状的部件，这导致了大量的材料浪费。而3D打印技术能够根据数字模型直接将所需形状的部件逐层构建而成，无需额外的材料加工，因此可以显著减少材料浪费，提高资源利用效率。

2.3加快产品开发周期与定制化生产

传统的飞机部件制造通常需要制造模具或者工装，而使用3D打印技术，则可以通过快速原型打印迅速制造出样品部件，以验证设计的可行性和进行功能测试。这种快速原型制造的方式大大缩短了产品开发周期，使得制造商可以更快地将产品推向市场。同时，3D打印技术还支持定制化生产，节省定制模具费用，省去开模成本，可以根据客户的个体需求灵活调整设计，生产出符合特定规格和要求的飞机部件，满足市场多样化的需求。

2.4重量优化与性能提升

传统的制造方法由于其刀具局限性，往往会过度使用材料以满足部件的强度要求，导致部件过重，影响最大起飞重量，根据航空器设计中的质量最轻原则，应尽可能地减轻航空器自重。而3D打印技术可以根据设计需求精确控制部件的内部结构，实现轻量化设计，将零部件在设计阶段进行拓扑优化，通过3D打印技术完成优化后复杂外形甚至带封闭空腔的制造，从而减轻整个飞机的重量，提高其性能和燃油效率。此外，通过优化部件的设计和材料的选择，还可以进一步提高部件的强度和耐久性。

2.5维护和修复

在飞机运营过程中，需要进行维护和修复工作。目前，对于易耗件采用制造备件的方式进行更换维修，但非易耗件偶然损坏可以使用3D打印技术快速制造需要的部件，更快地进行维修和替换，减少停机时间。此外，对于老旧机型，3D打印技术还可以配合三维扫描技术进行零件的再设计和制造，延长飞机产品的生命周期。

综上所述，3D打印技术在航空器制造中具有广阔的应用前景，能够改变传统制造工艺，提高部件的复杂性、定制性和可维护性等性能，并带来更高的效率。然而在3D打印技术发展了几十年的时间内，有许多因素仍然极大制约着该技术在航空器制造领域的发展。

三、3D打印技术在航空器制造中的挑战与解决方案

尽管3D打印技术在航空器制造领域展现了巨大潜力，但也面临一些挑战，其中包括材料强度与质量控制、成本与效率、以及标准化与认证等问题。

3.1材料强度与质量控制

3D打印技术所使用的材料在强度和耐久性方面可能存在一些挑战。由于材料的层层堆叠和熔合，可能会使部件内部结构非常均匀，结构间交错受力不足，受剪力可能较易断裂，而局部烧结冷却不足导致的局部应力释放不均匀，也会导致内部存在微小缺陷，影响部件整体强度。不同材料的熔点和固化速度不同，在采取高品质原材料的前提下，还需合理的参数控制，才能打印出性能较好的产品。3D打印在家用领域制造材料如今已经非常多样化，在工业制造领域需要不断研究开发适合不同场景下工业制造用的材料，并不断探索参数控制对产品的影响，制定出一套可依据的参数标准，确保制造的高质量和一致性。

3.2成本与效率

尽管3D打印技术可以帮助工厂减少材料浪费和加快产品开发周期，但其成本仍然非常高，3D打印的设备和材料采购成本昂贵。在航空制造方面，常见的是金属件，而打印金属和打印树脂材料成本不可同日而语，同时产品成型速度非常慢，现行技术一般是以点为单位逐渐构型成体，生产效率不高。这一部分原因是由于3D打印生态产业链没有形成，导致设备昂贵，一部分原因是因为在工业制造中，尤其是航空器制造中，对于产品精度的要求非常高，而高精度与高效率在不通过技术升级的条件下只能进行取舍。所以降低成本和提高制造效率，可以通过以下方式进行优化：建立完整且丰满的产业链；对制造设备的行进稳定性和行进精度进行研究优化；对制造原材料进行多样化研究，研究优化制造原材料成分配比；研究多点打印或面打印技术等。

3.3标准化与认证

在航空器制造行业，涉及非常严格的标准化和认证过程，3D打印技术作为诞生不过百年的新兴技术，其成熟度相对较低，较传统机加制造手段可靠性得不到行业广泛承认。作为航空器来说，其成本本身较高，而载人航空器出现事故的代价则异常高昂，所以产品质量和可靠性从原材料起需要得到严格把控。但3D打印技术已经展现出其独特的优势，在该技术进入飞速发展的今天，越来越多的研究成果，测试数据和实际验证会不断增加其材料可信度。在多重理论和数据支持下，3D打印的认证也将越来越容易，制造流程也越趋近标准化。

综上所述，尽管3D打印技术在航空器制造中面临一些挑战，但随着技术的不断迭代创新，这些问题将不断改进解决。通过持续的研究开发，可以将3D打印的产品性能变得更好，降低制造成本，从而推动3D打印技术在航空器制造领域内的广泛应用。

四、结论

本文探讨了3D打印技术在航空器制造中的应用与挑战。尽管3D打印技术为航空器制造带来了一些疑难问题的解决方案，包括制造复杂结构，减少材料浪费等，但仍面临着材料强度、制造质量、制造成本、制造效率、标准化认证等困难和挑战。但随着该技术在近些年的爆发式进步，未来一定会在此方向投入更多的研究力量，在收获低成本、高效率、高质量的研究回报后，该技术也就真正地可以普及了。

在未来，同高铁一样，航空装备随着时代发展，对于飞行速度、客货运送量、油耗等指标的要求会越来越高，而综合素质的提升，往往依赖于制造水平的进步。该技术在可设想的未来，应该能够直接对产品进行一体成型式制造，到那时，航空器产品设计只需考虑设备安装和产品维护就可以了，省去巨大的分离面设计和对接拼装成本，而航空器产品的气动外形也将更加优秀，结构更加轻巧。3D打印技术在精度和可制造性绝对优势基础上，若能补足成本短板和解决质量认证问题，一定能够掀起航空器制造划时代的革命性进步。

参考文献：

[1] 王文升.3D打印技术在航空制造业的应用与研究[J].科技展望, 2016, 26(1).DOI:10.3969/j.issn.1672-8289.2016.01.124.

[2] 张征,马洁萍,涂凯.3D打印技术在航空制造领域应用展望[J].中国民用航空, 2013(10):2.DOI:CNKI:SUN:MHJJ.0.2013-10-028.

[3] 毛剑锋.3D打印技术在航空金属零部件表面加工中的应用探讨[J].现代工程科技, 2023, 2(4):44-47.