詳解3D打印在航空制造中的優點與局限
3D打印技術是在上世紀70年代末期開始出現，主要應用于產品研制階段的“快速原型”和生產階段的“快速制造”。3D打印技術與曾經應用于工業生產的堆焊工藝方法相似，之所以稱為3D打印，就是在成型工藝上采用CAD和計算機3D模型數據，將兩維基材通過不同融合方式組合成三維結構。用在航空生產上的工藝方法主要有激光近凈成形技術（LENS）、激光選區熔化技術（SLM）及電子束選區熔化技術（EBSM）。
△世界上第一架采用噴氣動力的3D打印無人機
3D打印復雜框類結構毛坯的減重效果比較明顯，如F-22最大面積鍛造結構框的毛坯重量為2790千克，毛坯加工后的凈重量只有144千克，材料去除比例達到了95%！如果按照已經能夠驗證的工藝要求制造盤形復雜結構零件，鍛造工藝無法直接制成細節結構，材料利用率只有毛坯重量的約10%。鑄造則可以完成部分細節的粗略成型，毛坯實際利用率可達到總重量的20%~25%。3D打印可以直接制成與成品接近的外形，考慮到外表加工工藝和材料品質要求，成品零件可以達到毛坯總重的60%~70%，材料利用率和機加工效率都有很大提高。
相對的，鑄造成型模具的再利用效果比較好，成品芯型能進行批量毛坯的制造。鍛造的鍛壓模具成本雖然很高，工藝設備標準要求也高，但鍛造也有利于進行批次生產毛坯的成型。3D打印采用增材制造的工藝手段，無論只制造1個還是批制造100個，單件的生產時間和成本均沒有任何差異，零件的成型工藝要求和品質控制則更為嚴格。
3D打印與其它制坯方式的對比
現階段3D打印技術的航空應用主 要集中在金屬結構，以坯材成型加工難度大的鈦合金和合金鋼為主，加工難度低的鋁材則更適合采用鍛鑄方式成型。3D打印航空零件的應用已比較廣泛。國外用于F-22的3D成型TC4接頭已經達到2倍設計疲勞壽命，F/A-18的翼根吊架結構強度達到設計要求的225%，疲勞壽命也達到4倍設計要求，C-17等型號的進氣道附件也都開始批量應用3D打印，部分3D打印件已能在現有機型制造中替代鈑金和精鑄件。
中國在航空3D打印方面取得了很大的成績，已有多個型號應用3D打印的承力結構，達到了縮短制造周期和簡化工藝的效果，對產品減重的作用也比較明顯，宣傳資料中甚至有過減重40%的說法。國內很多軍迷僅根據這個40%和類似說法，就對航空結構減重抱有很大希望，而這個40%雖然理論上存在可能，但要受到非常嚴格的條件和應用限制。
SLM制成品的尺寸精度較高，但成型體結構密度控制效果不好，難以承受高載荷的結構效應，承力結構的3D打印主要采用的是LENS。按照已經公開的3D打印整體框架坯材外形對比，3D打印件毛坯重量大致只有鍛造的15%，這是3D打印的技術優勢，但坯材減重比并不代表最終制成品的重量對比。飛機的整體結構框架的設計要考慮到輕巧、堅固，以及工藝和成品機械/理化性能的一致性，結構設計必須嚴格滿足標準化的要求，不同機型類似結構的設計并沒有大的差異。
展覽上公開的3D打印承力框架制成品，結構設計與鍛造框架并沒有任何差別，區別僅體現在毛坯成型的工藝方式。3D打印的LENS和SLM工藝均已比較成熟，無論是采用激光還是電子束作為能量源，無論是使用粉材還是絲材作為基材，材料本身的理化條件并不會因為加工方式不同而變化。按現有技術，近凈成型燒結的材料理論密度比鍛造低近1%，選區熔化方式成型的粉末材質密度相對較小，與鍛造件的密度差別也在3%以內，工藝實現條件越好材料密度差異就越小。
無論采用什么樣的3D成型方式，同樣零件的材料性能如果沒有大的差別，零件的制成品重量就不會存在明顯的差別。所以說，3D打印坯材加工方式取得的減重效應非常有限，考慮到目前3D打印的材料性能還不夠完善，相比成熟的鍛造結構容限保險設計更多，同樣設計結構件的凈重甚至還要重些。
按照已公開的數據看，3D打印鈦合金零件的成品件，抗拉強度和硬度已達到鍛件的標準，但疲勞壽命和裂紋容限受工藝影響較大，未來相當時間里還缺乏全面替代鍛造的條件。美國飛機制造中大量應用整體鍛造框架，對高風險的3D打印的應用不夠積極，就是考慮到了制成品壽命和質量控制困難的因素。中國在新機制造上應用3D打印承力結構的同時，還投入很大資金和技術力量開發大型鍛壓機，也是因3D打印無法解決大型制造成品的批生產要求。3D打印與鍛/鑄造各有優勢，只要航空設計和生產體系還基于傳統工業技術，鍛/鑄和軋壓仍將是主要工藝成型手段，3D打印的結構減重效應就很難得到體現。
基于制造技術突破的減重措施
按照減重標準對比，3D打印的密度與鍛造的差異不到1%，而要實現避免缺 陷和改善材料性能的目標，密度差異其實是越小越好。按照實際生產條件去對比，某簡單框架的成品重量如果接近300千克，模鍛件毛坯重量大致在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，但成品重量與鍛造的理論區別還不到1千克，僅比整體機械加工的尺寸誤差換算值略大。所以說，從成品重量這個最終指標去對比，3D打印減重效果幾乎可以忽略不計。
那么宣傳資料中減重40%的說法是怎么來的？這要從飛機結構工藝去說明。現代航空制造的金屬成品結構越復雜加工難度就越高，很多組合曲面結構還必須依靠數控設備加工。第三代之后的先進戰斗機采用翼身融合氣動設計，很大程度上改善了飛機的結構強度和設計性能。這種設計其實在上世紀30年代就已經存在，但在噴氣戰斗機應用前期沒使用。融合體結構框架存在大量連續曲面，制造這些曲面的工藝難度非常大，角度控制和表面連續性加工工藝要求高，很難依靠普通機加工設備成批制造。數控設備在上世紀70年代大量應用后，三軸數控機床成為曲面加工的手段，飛機也就開始更多利用結構曲面改善氣動設計。
△3D打印無人機側視
連續曲面變角度結構勢必會產生半封閉空間。設計師在設計機體結構時必須考慮到可加工因素，半封閉或封閉復雜結構難以整體成型加工，必須分解成多個獨立的可加工零件，采用組合件的方式滿足結構外形與工藝的要求。組合件的問題是每個零件都必須滿足獨立強 度要求，結構件和桁條等結構也要保證獨立承力的厚度。采用鉚接和螺接組合零件時，標準件緊固位置的孔強度還必須高于零件強度。 如果要用螺栓固定某根壁厚2毫米的L型型材，每個螺栓孔位置的厚度要超過平均厚度，如果采用鉚釘則需要平均分布多個鉚釘孔。
組合件組合要求增加了零件的結構重量，組合用標準件也增加了整體重量，對于某些小型的復雜輕金屬結構，組合用標準件的重量甚至比零件本身的重量還要高。如果能夠通過工藝手段直接成型組合件，一體化結構將實現明顯的減重效果。
如兩個組合件的對合壁板厚度均為2毫米，將其一體成型后的整體壁板只需要不到3毫米，取消鉚釘施工要求又可以明顯降低重量。美國在F-16戰斗機改進設計中，曾經在前機身結構改進中應用精密鑄造件，用整體鋁合金鑄件替代鉚接組合件，使替代總重量超過11千克的組合件的精鑄件重量降低到4.7千克。利用復合材料替代金屬材料時，雖然復合材料壁板的單體結構重量比鋁合金高，但用桁條膠接為整體結構的復合材料壁板，卻能夠取消組合件的獨立桁條和固定鉚釘，總重量反而比組合金屬結構降低了接近30%。
3D打印直接體現的減重優勢主要就是打印出復雜的封閉/半封閉零件，直接取代由多個零件組成的組合件，零件重量可以大幅度降低，固定零件的鉚釘和螺栓的數量也可以減少，這才是3D打印減重最直接的應用方式。
飛機結構一體化減重是效果最明顯的措施。航空系統很早就在爭取實現結構件一體化，尤其是復合材料應用到航空結構件后，曲面加筋壁板這種整體結構相比金屬組合件，已經表現出很突出的減重和降低零件數量的優勢。復合材料工藝水平發展很快，現在已經出現全復合材料的飛機，但復合材料不僅存在成本高和工藝難度大的問題，大部件制造還存在維護和維修難度高的使用困難，限制了復合材料在飛機結構大部件方面的應用范圍。現代復合材料還無法取代結構件的金屬材料，3D打印則通過高度靈活的成型手段，有利于實現金屬和多種金屬/非金屬組合結構的一體化，與復合材料共同組成航空輕重量結構。
3D打印不僅在結構制造上可以發揮減重作用，也有利于成品安裝和系統布局的減重和改進。機載成品安裝支架 或運動裝置的支撐結構復雜，又不是承力結構，很適合采用3D打印方式制造。如果把現在普遍采用的組合件用3D整體件替代，利用高尺寸精度的選區熔化方式一體成型，將有利于提高結構一致性和裝卸更新的方便性。
飛機的各種液體和氣體導管種類很多，分布廣泛，管道走向還要避開結構件和成品，沒有辦法在飛機內部設置長距離的直管。機載液、氣管線存在很多彎曲度大的轉角，為保證管道彎曲時的機械性能，必須在大的轉角位置采用轉向接頭，消除因為小半徑彎管產生的應力集中，這就使管線敷設中需要使用很多工藝接頭。如果能夠在保證安裝和更換方便性的同時，3D打印出整體彎管替代傳統的機械彎管、擴口和接頭固定，將在保證管道彎曲尺寸要求的同時，降低管線的零件數量，提高機械性能。取消接頭還能減少滲漏檢查和維護的接口數量，一體成形的光滑內壁還可以優化管道內部液體和氣體流動效果。
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