詳解3D列印在航空製造中的優點與局限
OFweek3D列印網訊 3D列印技術是在上世紀70年代末期開始出現，主要應用於產品研製階段的“快速原型”和生產階段的“快速製造”。3D列印技術與曾經應用於工業生產的堆焊工藝方法相似，之所以稱為3D列印，就是在成型工藝上採用CAD和電腦3D模型資料，將兩維琪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鐳射近淨成形技術（LENS）、鐳射選區熔化技術（SLM）及電子束選區熔化技術（EBSM）。
世界上第一架採用噴氣動力的3D列印無人機
3D列印複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，毛坯加工後的淨重量只有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製造盤形複雜結構零件，鍛造工藝無法直接製成細節結構，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列印可以直接製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製造。鍛造的鍛壓模具成本雖然很高，工藝設備標準要求也高，但鍛造也有利於進行批次生產毛坯的成型。3D列印採用增材製造的工藝手段，無論只製造1個還是批製造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列印與其它制坯方式的對比
現階段3D列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採用鍛鑄方式成型。3D列印航空零件的應用已比較廣泛。國外用於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列印，部分3D列印件已能在現有機型製造中替代鈑金和精鑄件。
中國在航空3D列印方面取得了很大的成績，已有多個型號應用3D列印的承力結構，達到了縮短製造週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製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列印主要採用的是LENS。按照已經公開的3D列印整體框架坯材外形對比，3D列印件毛坯重量大致只有鍛造的15%，這是3D列印的技術優勢，但坯材減重比並不代表最終製成品的重量對比。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並沒有大的差異。
展覽上公開的3D列印承力框架製成品，結構設計與鍛造框架並沒有任何差別，區別僅體現在毛坯成型的工藝方式。3D列印的LENS和SLM工藝均已比較成熟，無論是採用鐳射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並不會因為加工方式不同而變化。按現有技術，近淨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。
無論採用什麼樣的3D成型方式，同樣零件的材料性能如果沒有大的差別，零件的製成品重量就不會存在明顯的差別。所以說，3D列印坯材加工方式取得的減重效應非常有限，考慮到目前3D列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，同樣設計結構件的淨重甚至還要重些。
按照已公開的資料看，3D列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，未來相當時間裡還缺乏全面替代鍛造的條件。美國飛機製造中大量應用整體鍛造框架，對高風險的3D列印的應用不夠積極，就是考慮到了製成品壽命和品質控制困難的因素。中國在新機製造上應用3D列印承力結構的同時，還投入很大資金和技術力量開發大型鍛壓機，也是因3D列印無法解決大型製造成品的批生產要求。3D列印與鍛/鑄造各有優勢，只要航空設計和生產體系還基於傳統工業技術，鍛/鑄和軋壓仍將是主要工藝成型手段，3D列印的結構減重效應就很難得到體現。
基於製造技術突破的減重措施
按照減重標準對比，3D列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列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列印減重效果幾乎可以忽略不計。
那麼宣傳資料中減重40%的說法是怎麼來的？這要從飛機結構工藝去說明。現代航空製造的金屬成品結構越複雜加工難度就越高，很多組合曲面結構還必須依靠數控設備加工。第三代之後的先進戰鬥機採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，但在噴氣戰鬥機應用前期沒使用。融合體結構框架存在大量連續曲面，製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製造。數控設備在上世紀70年代大量應用後，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列印無人機側視
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，半封閉或封閉複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，採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。採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於零件強度。 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，如果採用鉚釘則需要平均分佈多個鉚釘孔。
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，對於某些小型的複雜輕金屬結構，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，將其一體成型後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戰鬥機改進設計中，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。利用複合材料替代金屬材料時，雖然複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複合材料壁板，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列印直接體現的減重優勢主要就是列印出複雜的封閉/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列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，尤其是複合材料應用到航空結構件後，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。複合材料工藝水準發展很快，現在已經出現全複合材料的飛機，但複合材料不僅存在成本高和工藝難度大的問題，大部件製造還存在維護和維修難度高的使用困難，限制了複合材料在飛機結構大部件方面的應用範圍。現代複合材料還無法取代結構件的金屬材料，3D列印則通過高度靈活的成型手段，有利於實現金屬和多種金屬/非金屬組合結構的一體化，與複合材料共同組成航空輕重量結構。
世界上第一架採用噴氣動力的3D列印無人機
3D列印複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，毛坯加工後的淨重量只有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製造盤形複雜結構零件，鍛造工藝無法直接製成細節結構，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列印可以直接製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製造。鍛造的鍛壓模具成本雖然很高，工藝設備標準要求也高，但鍛造也有利於進行批次生產毛坯的成型。3D列印採用增材製造的工藝手段，無論只製造1個還是批製造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列印與其它制坯方式的對比
現階段3D列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採用鍛鑄方式成型。3D列印航空零件的應用已比較廣泛。國外用於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列印，部分3D列印件已能在現有機型製造中替代鈑金和精鑄件。
中國在航空3D列印方面取得了很大的成績，已有多個型號應用3D列印的承力結構，達到了縮短製造週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製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列印主要採用的是LENS。按照已經公開的3D列印整體框架坯材外形對比，3D列印件毛坯重量大致只有鍛造的15%，這是3D列印的技術優勢，但坯材減重比並不代表最終製成品的重量對比。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並沒有大的差異。
展覽上公開的3D列印承力框架製成品，結構設計與鍛造框架並沒有任何差別，區別僅體現在毛坯成型的工藝方式。3D列印的LENS和SLM工藝均已比較成熟，無論是採用鐳射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並不會因為加工方式不同而變化。按現有技術，近淨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。
無論採用什麼樣的3D成型方式，同樣零件的材料性能如果沒有大的差別，零件的製成品重量就不會存在明顯的差別。所以說，3D列印坯材加工方式取得的減重效應非常有限，考慮到目前3D列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，同樣設計結構件的淨重甚至還要重些。
按照已公開的資料看，3D列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，未來相當時間裡還缺乏全面替代鍛造的條件。美國飛機製造中大量應用整體鍛造框架，對高風險的3D列印的應用不夠積極，就是考慮到了製成品壽命和品質控制困難的因素。中國在新機製造上應用3D列印承力結構的同時，還投入很大資金和技術力量開發大型鍛壓機，也是因3D列印無法解決大型製造成品的批生產要求。3D列印與鍛/鑄造各有優勢，只要航空設計和生產體系還基於傳統工業技術，鍛/鑄和軋壓仍將是主要工藝成型手段，3D列印的結構減重效應就很難得到體現。
基於製造技術突破的減重措施
按照減重標準對比，3D列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列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列印減重效果幾乎可以忽略不計。
那麼宣傳資料中減重40%的說法是怎麼來的？這要從飛機結構工藝去說明。現代航空製造的金屬成品結構越複雜加工難度就越高，很多組合曲面結構還必須依靠數控設備加工。第三代之後的先進戰鬥機採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，但在噴氣戰鬥機應用前期沒使用。融合體結構框架存在大量連續曲面，製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製造。數控設備在上世紀70年代大量應用後，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列印無人機側視
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，半封閉或封閉複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，採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。採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於零件強度。 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，如果採用鉚釘則需要平均分佈多個鉚釘孔。
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，對於某些小型的複雜輕金屬結構，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，將其一體成型後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戰鬥機改進設計中，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。利用複合材料替代金屬材料時，雖然複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複合材料壁板，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列印直接體現的減重優勢主要就是列印出複雜的封閉/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列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，尤其是複合材料應用到航空結構件後，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。複合材料工藝水準發展很快，現在已經出現全複合材料的飛機，但複合材料不僅存在成本高和工藝難度大的問題，大部件製造還存在維護和維修難度高的使用困難，限制了複合材料在飛機結構大部件方面的應用範圍。現代複合材料還無法取代結構件的金屬材料，3D列印則通過高度靈活的成型手段，有利於實現金屬和多種金屬/非金屬組合結構的一體化，與複合材料共同組成航空輕重量結構。