【干貨】3D打印技術(shù)對航空制造業(yè)發(fā)展的影響

新材料、新工藝、新機(jī)器人、新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造服務(wù)，生產(chǎn)會(huì)更加經(jīng)濟(jì)、高效、靈活、精簡。3D打印技術(shù)作為“第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志”，被認(rèn)為是推動(dòng)新一輪工業(yè)革命的重要契機(jī)，已經(jīng)引起全世界的廣泛關(guān)注。3D打印技術(shù)作為具有前沿性、先導(dǎo)性的新興技術(shù)，正在使傳統(tǒng)生產(chǎn)方式和生產(chǎn)工藝發(fā)生深刻變革。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”在制造業(yè)掀起一場革命。它最適合應(yīng)用于多品種、小批量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、原材料價(jià)值量高的結(jié)構(gòu)制造，因此有望在航空制造領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

1  3D打印的主流技術(shù)手段
3D打印技術(shù)原理是把一個(gè)通過設(shè)計(jì)或者掃描等方式做好的3D模型按照某一坐標(biāo)軸切成無限多個(gè)剖面，然后一層一層打印出來并按原來的位置堆積到一起，形成一個(gè)實(shí)體的立體模型�？焖俪尚渭夹g(shù)使用的方法有很多種（圖1），比較主流的方法包括光固化立體成形（ SLA）、分層實(shí)體制造（ LOM）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、熔積成形（ FDM）等。

1) 光固化立體成形 光固化立體成形（圖2）由美國3D Systems公司在20世紀(jì)80年代后期推出。它是在樹脂液槽中盛滿液態(tài)光敏樹脂，使其在激光束的照射下快速固化，然后工作臺(tái)下降一層薄片的高度，進(jìn)行第二層激光掃描固化，如此重復(fù)，直到整個(gè)產(chǎn)品成形完畢。  

2） 分層實(shí)體制造 供料機(jī)構(gòu)將底面涂有熱熔膠的箔材—段段地送至工作 臺(tái)的上方。激光切割系統(tǒng)按照計(jì)算機(jī)提取的橫截面輪廓用CO2激光束對箔材沿輪廓線將工作臺(tái)上的紙割出輪廓線，并將紙的無輪廓區(qū)切割成小碎片(圖3)。

3） 選擇性激光燒結(jié)工藝 選擇性激光燒結(jié)(圖4)采用CO2激光器對粉末材料（塑料粉、陶瓷與黏結(jié)劑的混合粉、金屬與黏結(jié)劑的混合粉等）進(jìn)行選擇性燒結(jié)．是一種由離散點(diǎn)一層層堆積成三維實(shí)體的工藝方法。  

4） 熔積成形 熔積成形工藝是一種不依靠激光作為成形能源，而將 各種絲材加熱熔化的成形方法(圖5)。   

2 3D打印技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展
3D打印技術(shù)的歷史由來已久。1986年，美國3D Systems公司推出了第一款工業(yè)化的“3D打印”設(shè)備，1990 年開始銷售，短短幾年形成了巨大的市場。3D打印設(shè)備應(yīng)用的方式有兩種：一種是大企業(yè)為自己的產(chǎn)品開發(fā)服務(wù)，如波音、通用、福特、戴姆勒-克萊斯勒三大汽車公司、IBM、蘋果、豐田等都在應(yīng)用；另一種方式為大學(xué)、研究所甚至由六、七個(gè)人組織的服務(wù)機(jī)構(gòu)以一臺(tái)或數(shù)臺(tái)成形機(jī)為中心，開展對中小企業(yè)的服務(wù)。目前，全球有兩家3D打印機(jī)制造巨頭，分別為3D Systems 和Stratasys，均為美國上市公司，2011年?duì)I業(yè)收入分別是2.3億美元和1.6億美元。2011年3D打印產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模為17億美元。

目前，快速成形技術(shù)的市場應(yīng)用份額如圖6所示，其中航空航天約占8%。 自20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)多所高校開展了3D打印技術(shù)的自主研發(fā)，并進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)化運(yùn)作。西安交通大學(xué)、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京隆源公司、中航重機(jī)激光等院校和企業(yè)在典型的快速成形設(shè)備、軟件、材料等方面的研究和產(chǎn)業(yè)化獲得了重大進(jìn)展，我國快速成形技術(shù)的研究工作基本與國際同步，但在快速成形技術(shù)新設(shè)備研發(fā)和應(yīng)用 方面則落后于國外。國外快速成形技術(shù)在航空領(lǐng)域有超過8％的應(yīng)用量，而我國在這方面的應(yīng)用量則非常低。據(jù)估計(jì)，3D打印設(shè)備在我國企業(yè)級裝機(jī)量在400臺(tái)左右，2010年以來年增速為70%左右，市場規(guī)模超過1億元。

3 3D打印技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用
歐美已將3D打印技術(shù)視為提升航空航天領(lǐng)域水平的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。3D打印技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在3類：外形驗(yàn)證、直接產(chǎn)品制造和精密熔模鑄造的原型 制造等。

1） 國外應(yīng)用情況
波音公司已經(jīng)利用三維打印技術(shù)制造了大約300種不同的飛機(jī)零部件，包括將冷空氣導(dǎo)入電子設(shè)備的形狀復(fù)雜導(dǎo)管。目前波音公司和霍尼韋爾正在研究利用3D打印技術(shù) 打印出機(jī)翼等更大型的產(chǎn)品。 空客在A380客艙里使用3D打印的行李架，在“臺(tái)風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)中也使用了3D打印的空調(diào)系統(tǒng)�？湛凸�司最近提出 “透明飛機(jī)概念”計(jì)劃，制定了一張“路線圖”，從打印飛機(jī) 的小部件開始，一步一步發(fā)展，最終在2050年左右用3D打印機(jī)打印出整架飛機(jī)。

“概念飛機(jī)”本身有許多令人眼花繚 亂的復(fù)雜系統(tǒng)，比如仿生的彎曲機(jī)身，能讓乘客看到周圍藍(lán)天白云的透明機(jī)殼等，采用傳統(tǒng)制造手段難以實(shí)現(xiàn)，3D打印或許是一條捷徑。GE航空在2012年11月20日收購了一家名為Morris Technologies的3D打印企業(yè)，計(jì)劃利用后者的3D打印技術(shù)打印LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)組件。GE把這次收購看作是對新制造技術(shù)的投資，認(rèn)為具備處理新興材料與復(fù)雜設(shè)計(jì)的工藝制造開發(fā)能力，對GE的未來至關(guān)重要。


2） 國內(nèi)應(yīng)用情況
中航重機(jī)激光技術(shù)團(tuán)隊(duì)早在2000年前后，開始進(jìn)行“3D激光焊接快速成形技術(shù)”研發(fā)。目前，中航重機(jī)激光產(chǎn)品已應(yīng)用于我國多款新型軍用飛機(jī)，并起到關(guān)鍵作用。除了軍用飛機(jī)，中航重機(jī)激光還在開拓整體葉盤應(yīng)用市場，以及大型水面水下艦艇市場。 北京航空航天大學(xué)同我國主要飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所等單位通過“產(chǎn)學(xué)研”緊密合作，瞄準(zhǔn)大型飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等國家重大戰(zhàn)略需求，歷經(jīng)17年研究在國際上首次全面突破了鈦合金、超高強(qiáng)度鋼等難加工大型復(fù)雜整體關(guān)鍵構(gòu)件激光成形工藝、成套裝備和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，并已在飛機(jī)大型構(gòu)件生產(chǎn)中研發(fā)出五代、10余型裝備系統(tǒng)，已經(jīng)受近十年的工程實(shí)際應(yīng)用考驗(yàn)，使我國成為迄今唯一掌握大型整體鈦合金關(guān)鍵構(gòu)件激光成形技術(shù)并成功實(shí)現(xiàn)裝機(jī)工程應(yīng)用的國家。2013年1月18日，王華明聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)?wèi){“3D激光快速成形技術(shù)”獲國家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。

4 3D打印對生產(chǎn)方式的變革
相對于傳統(tǒng)制造業(yè)，3D打印使制造模式、流程、供應(yīng)鏈等方面發(fā)生巨大變化。

1） 定制成為新標(biāo)準(zhǔn) 制造模式上，過去是生產(chǎn)線規(guī)模化生產(chǎn)，今后則可能更多的是數(shù)字化、個(gè)性化、分散化的定制生產(chǎn)，不再需要庫存大量零部件，也不需要大量生產(chǎn)。
2） 縮短上市時(shí)間 3D打印無需機(jī)械加工或任何模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期。
3） 更優(yōu)越的產(chǎn)品性能 3D打印的產(chǎn)品是自然無縫連接，結(jié)構(gòu)之間的穩(wěn)固性和連接強(qiáng)度要高于焊接等傳統(tǒng)方法。  
4） 開放式的產(chǎn)品設(shè)計(jì) 3D打印產(chǎn)品設(shè)計(jì)者與消費(fèi)者之間可以通過互動(dòng)改進(jìn)產(chǎn)品，這個(gè)互動(dòng)是雙向的，消費(fèi)者也可以自己設(shè)計(jì)產(chǎn)品。
5）改變離岸經(jīng)濟(jì)模式 3D打印對產(chǎn)品供應(yīng)鏈有重大影響，選擇生產(chǎn)地時(shí)，勞動(dòng)力成本不再那么重要，而是考慮如何接近消費(fèi)者，傳統(tǒng)過程的供應(yīng)鏈就變得短了，使得傳統(tǒng)的離岸經(jīng)濟(jì)模式得以改變。

5 3D打印產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展前景
對于3D打印未來的發(fā)展前景，業(yè) 界普遍看好。作為全國工業(yè)的主管部門，工信部準(zhǔn)備組織研究制定3D打印技術(shù)路線圖、中長期發(fā)展戰(zhàn)略，推動(dòng)完善3D打印技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)制定，研究制定支持3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展的專項(xiàng)財(cái)稅政策。據(jù)報(bào)道，科技與信息化部的3D打印相關(guān)戰(zhàn)略規(guī)劃也正在研究制定中，近期即將公布。據(jù)高德納（Gartner）公司2012年的新興技術(shù)炒作周期報(bào)告判斷：3D打印技術(shù)目前正在進(jìn)入概念炒作的高峰階段，在5～10年的時(shí)間內(nèi)將迎來發(fā)展高峰（圖7）。  

據(jù)Wohlers Associates報(bào)告分析，全球3D打印產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值在1988～2010年間保持著26.2%的年均增速。2011年3D打印產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模為17億美元，到2016年產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值將達(dá)到31億美元，2020年將達(dá)到52億美元，其中零部件制造將占80%。而對于快速成形應(yīng)用領(lǐng)域，則市場更為廣闊。2012年，全世界快速成形制造的產(chǎn)值估計(jì)為230億美元，2015年產(chǎn)值將會(huì)達(dá)到350億美元。 3D打印技術(shù)要想進(jìn)一步擴(kuò)展其產(chǎn)業(yè)應(yīng)用空間，目前仍面臨著一些瓶頸和挑戰(zhàn)：

一是成本方面，現(xiàn)有3D打印機(jī)造價(jià)仍普遍較為昂貴，給其進(jìn)一步普及應(yīng)用帶來了困難；
二是打印材料方面，目前3D打印的成形材料多采用化學(xué)聚合物，選擇的局限性較大，成形品的物理特性較差，而且安全方面也存在一定隱患；
三是精度、速度和效率方面，目前3D打印成品的精度還不盡人意，打印效率還遠(yuǎn)不適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的需求，而且受打印機(jī)工作原理的限制，打印精度與速度之間存在嚴(yán)重沖突；
四是產(chǎn)業(yè)環(huán)境方面，3D打印技術(shù)的普及將使產(chǎn)品更容易被復(fù)制和擴(kuò)散，制造業(yè)面對的盜版風(fēng)險(xiǎn)大增，現(xiàn)有知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)機(jī)制難以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)未 來發(fā)展的需求。

6 3D打印技術(shù)未來發(fā)展的主要趨勢
隨著智能制造的進(jìn)一步發(fā)展成熟，新的信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)等不斷被廣泛應(yīng)用到制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)也將被推向更高的層面。未來，3D打印技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趨勢。 提升3D打印的速度、效率和精度，開拓并行打印、連續(xù)打印、大件打印、多材料打印的工藝方法，提高成品的表面質(zhì)量、力學(xué)和物理性能，以實(shí)現(xiàn)直接面向產(chǎn)品的制造；開發(fā)更為多樣的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、納米材料、非均質(zhì)材料及復(fù)合材料等，特別是金屬材料直接成形技術(shù)有可能成為今后研究與應(yīng)用的又一個(gè)熱點(diǎn)；3D打印機(jī)的體積小型化、桌面化，成本更低廉，操作更簡便，更加適應(yīng)分布化生產(chǎn)、設(shè)計(jì)與制造一體化的需求以及家庭日常應(yīng)用的需求；軟件集成化，實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/RP的一體化，使設(shè)計(jì)軟件和生產(chǎn)控制軟件能夠無縫對接，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者直接聯(lián)網(wǎng)控制的遠(yuǎn)程在線制造。

7 航空制造業(yè)整合3D打印技術(shù)的建議
我國是制造業(yè)大國，3D打印技術(shù)對中國諸多企業(yè)將是顛覆性的變革。我國航空制造業(yè)必須未雨綢繆，積極為迎接此技術(shù)革命做好準(zhǔn)備。
1） 推進(jìn)“產(chǎn)學(xué)研用”結(jié)合，拓展應(yīng)用領(lǐng)域，延伸產(chǎn)業(yè)鏈，提高產(chǎn)業(yè)化程 度。
2） 改變產(chǎn)品，如研發(fā)現(xiàn)有產(chǎn)品的數(shù)字版及3D打印所需相應(yīng)的硬軟件。
3） 改變制造過程和方法，首先將現(xiàn)有制造系統(tǒng)智能化自動(dòng)化，并引入3D制造系統(tǒng)，將3D打印的增材和傳統(tǒng)的減材制造結(jié)合，形成復(fù)合體系。因?yàn)楝F(xiàn)有技術(shù)不會(huì)完全消失，雜交制造體系在今后將會(huì)長期存在。
4） 改變商業(yè)模式。這一新工業(yè)革命要求完全不同的價(jià)值獲取與盈利模式，及相關(guān)的流程設(shè)計(jì)，資源配置和組織機(jī)構(gòu)的形式。
5） 通過一些資本化運(yùn)作手段，兼并收購一些具有核心技術(shù)的3D打印企業(yè)，以核心制造能力和低成本的制造效率為重點(diǎn)，打造航空企業(yè)自身的價(jià)值元寶曲線，或許是在這次工業(yè)革命中實(shí)現(xiàn)快速趕超的有效途徑。


編輯：南極熊
作者：楊恩泉