一文讀懂航空制造為什么要用3D打印

來源：升華三維

▲航空航天零件的3D草圖

多年來，航空航天一直被證明是全球3D打印增長最快的應用之一。多品種、小批量、結(jié)構復雜等是航空航天獨有的產(chǎn)品特點，輕量化、低成本、快速研制的迫切需求與3D打印成型自由度高且快等特點高度契合。一些飛機制造商甚至可能利用簡短的停機時間來改造他們的飛機，建立數(shù)字庫存來維護老化的飛機，并使用先進的制造技術來制造下一代飛機。像我國的國產(chǎn)C919大飛機就是通過應用大量的3D打印技術實現(xiàn)的設計和試產(chǎn)。

▲國產(chǎn)C919大飛機

下面讓我們來深入了解航空業(yè)為何使用3D打印，看看在飛機的生產(chǎn)中是如何利用這些共性優(yōu)勢的：
零件整合

在零件組裝中最薄弱的點就是組裝的地方。就飛機而言，這樣的弱點可能會成為嚴重故障點，危及人類生命。
通過將零件的多個組件整合到單個3D打印構建中，裝配點的數(shù)量必然會減少。3D打印可能實現(xiàn)的獨特幾何形狀可以將通常有幾十個或數(shù)百個零件的零件減少到幾個——或一個零件。由于無需焊接、鉚接或其他緊固件來將零件固定在一起，不僅減少了裝配，而且還減少了潛在的故障點。

整合的部件越多，節(jié)省的成本就越大。如果某部分零件在組裝后被固定，這可能是一個整合設計的機會。在增材制造中，復雜性通常是免費的，最成功的零件盡可能多地利用這一公理。零件整合好處主要包括以下幾點：

減少裝配：這包括減少勞動力，庫存，夾具/工具以及專用于最終產(chǎn)品的制造占地面積。裝配檢查也減少了，極大地減少了裝配錯誤的機會。

減少故障點：長期降低維護成本，并且可以減少更換部件的庫存。如果需要，可以快速且經(jīng)濟高效地進行小批量更換。

降低運營成本：由于增材制造，通過設計自由度優(yōu)化零件，提高了產(chǎn)品性能，實現(xiàn)了零件輕量化和更好的熱性能等增強功能。

輕量化

對于用于飛行的設備來說，“克克是黃金”，每減重一公斤，就能節(jié)約幾十萬元的費用。重量更輕的部件意味著更少的燃料，不僅可以減少飛行的碳排放，還可以降低飛行成本。

▲輕量化結(jié)構設計

3D打印在傳統(tǒng)制造材料的基礎上不斷創(chuàng)新，在相同結(jié)構件中，利用性能更優(yōu)異的3D打印材料配方，創(chuàng)造出更輕的最終零件。結(jié)合零件整合、3D打印拓撲優(yōu)化、晶格結(jié)構等輕量化結(jié)構，就特別有利于飛行器的輕量化設計，使它的功能密度更高。

提升設計自由度

許多從事增材制造工作者都喜歡宣稱該技術提供了極大的“設計自由度”，因為首次可以實現(xiàn)其他制造工藝無法制造的復雜幾何形狀。

過去設計非常復雜的構件很難制造或者成本非常高，甚至根本無法制造。利用增材制造工藝，可以用相對簡單的方式生產(chǎn)高度復雜的二維或三維金屬部件，這是整體形成由實心和網(wǎng)格部分組成的結(jié)構部件的可行方式。

拓撲優(yōu)化和生成式設計等設計方法，有效地助力了3D打印開發(fā)出以前從未想過的新形狀。這些復雜的晶格設計不僅通過只在必要的地方加入材料來減輕重量，而且通常比傳統(tǒng)設計更堅固。雖然某些限制仍然存在，并且可能因3D打印技術和使用的材料而異，但這些限制在許多方面都比傳統(tǒng)的減材制造工藝中看到的要少得多�？梢栽O計新的內(nèi)部和外部飛機部件來替換陳舊的原始部件，更靈活設計技巧來增加極端功能。

快速原型迭代

最初使用3D打印的命名就是：快速原型制作。從草圖創(chuàng)意到CAD設計再到第一個原型——然后是第二個、第三個等等——3D打印加快了新產(chǎn)品的上市時間。用傳統(tǒng)工藝制造渦輪葉片，期間需要開模具，從設計到制造大約需要半年時間，而使用3D打印技術，可以在數(shù)天或數(shù)周內(nèi)實現(xiàn)快速周轉(zhuǎn)和迭代。

小批量生產(chǎn)

在航空航天產(chǎn)業(yè)中，如按生產(chǎn)總量計算，與汽車或電器制造相比，生產(chǎn)的飛機數(shù)量相對較少。

高價值、小批量生產(chǎn)非常適合3D打印。許多傳統(tǒng)制造工藝需要制造昂貴的工具和模具，從而為大規(guī)模生產(chǎn)創(chuàng)造規(guī)模經(jīng)濟，而增材制造則不需要模具。一次可以制作一件或幾件——包括在同一構建板上進行不同的設計——無需額外的成型或工具成本。

在傳統(tǒng)技術更具成本效益之前，增材制造與傳統(tǒng)制造的拐點通常需要制造成百上千個零件，雖然這可能最終將每個注塑成型零件的成本降低到幾分，但在那個交叉點之前，3D打印會更劃算。尤其是在使用高價值應用材料時，節(jié)省材料勢在必行。

數(shù)字庫存

當一架飛機接近其使用壽命的盡頭時，通�？梢酝ㄟ^更換某些部件來挽救它以使其繼續(xù)飛行。常規(guī)方式是通過使用實體倉庫來完成的，這些備件在需要時存放在貨架上。在大多數(shù)情況下，這些備件是與原始批量生產(chǎn)的OEM零件同時制造的，并留待磨損零件的更換需求使用。但是，如果這種需求永遠不會出現(xiàn)，那么它們不僅會浪費生產(chǎn)它們的時間和成本，還會浪費它們在貨架上存放多年的時間。更糟糕的是，如果需求來了，但備件卻缺貨，尤其是那些永遠停產(chǎn)的——缺少一小部分可能會使飛機停飛。

數(shù)字庫存方法不是將商品物理地放在貨架上，而是存儲可以3D打印的設計文件。在可任何地方和時間，使用適當?shù)?D打印技術制造那些需要替換的零件，并且同樣不需要事先生產(chǎn)昂貴的模具或工具。而不是等待OEM延遲，從而減少了實體庫存的壓力，同時還能延長飛行壽命，而不至于因為某個小部件導致無法再飛行。

— 借助3D打印飛得更高、更遠 —

飛機的生產(chǎn)，從原型到備件，越來越多地受益于供應鏈中3D打印的使用。分散生產(chǎn)、新的設計可能性以及時間、材料和成本的減少正在為飛機保持高飛提供新的途徑。

增值制造工藝替代傳統(tǒng)制造，能夠節(jié)省模具成本，還能在多個方面實現(xiàn)降本增效。3D打印材料是3D打印技術發(fā)展的物質(zhì)基礎，金屬、陶瓷、復合材料是3D打印領域的新興賽道。據(jù)Wohlers Associates Inc發(fā)布行業(yè)統(tǒng)計顯示，在3D打印下游應用行業(yè)，汽車工業(yè)、消費電子以及航空航天占比最大，金屬、陶瓷、復合材料將成為3D打印材料的“引爆點”。

在“中國制造2025”規(guī)劃背景下，3D打印成為我國推動智能制造的主線，航空航天是增材制造重要應用領域之一。目前，在國內(nèi)外航空航天領域，高馬赫數(shù)、高機動性飛行器層出不窮并成為下一代航空航天飛行器的主要發(fā)展趨勢之一，它的設計需求對設計和制造工藝提出了更高的要求，其零部件大多數(shù)都具有尺寸大、異型復雜、結(jié)構多的特點，3D打印技術在大尺寸零件一體化制造、異型復雜結(jié)構件制造、批量定制結(jié)構件制造方面具有巨大的優(yōu)勢。

升華三維是目前國內(nèi)為數(shù)不多能提供金屬/陶瓷材料開發(fā)制備、金屬/陶瓷3D打印機研發(fā)生產(chǎn)、切片軟件開發(fā)到3D打印工藝、脫脂及燒結(jié)一整套金屬/陶瓷間接3D打印工藝鏈供應商。目前已與航空航天應用領域多個科研機構、高校和企業(yè)合作，致力于提供高性能、輕量化、精細微結(jié)構的陶瓷/金屬間接3D打印整體解決方案。