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3D打印技術(shù)是在上世紀(jì)70年代末期開(kāi)始出現(xiàn)，主要應(yīng)用于產(chǎn)品研制階段的“快速原型”和生產(chǎn)階段的“快速制造”。3D打印技術(shù)與曾經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)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(jì)算機(jī)3D模型數(shù)據(jù)，將兩維基材通過(guò)不同融合方式組合成三維結(jié)構(gòu)。用在航空生產(chǎn)上的工藝方法主要有激光近凈成形技術(shù)(LENS)、激光選區(qū)熔化技術(shù)(SLM)及電子束選區(qū)熔化技術(shù)(EBSM)。
3D打印復(fù)雜框類結(jié)構(gòu)毛坯的減重效果比較明顯，如F-22最大面積鍛造結(jié)構(gòu)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(dá)到了95%！如果按照已經(jīng)能夠驗(yàn)證的工藝要求制造盤形復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，鍛造工藝無(wú)法直接制成細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，材料利用率只有毛坯重量的約10%。鑄造則可以完成部分細(xì)節(jié)的粗略成型，毛坯實(shí)際利用率可達(dá)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(zhì)要求，成品零件可以達(dá)到毛坯總重的60%~70%，材料利用率和機(jī)加工效率都有很大提高。
相對(duì)的，鑄造成型模具的再利用效果比較好，成品芯型能進(jìn)行批量毛坯的制造。鍛造的鍛壓模具成本雖然很高，工藝設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)要求也高，但鍛造也有利于進(jìn)行批次生產(chǎn)毛坯的成型。3D打印采用增材制造的工藝手段，無(wú)論只制造1個(gè)還是批制造100個(gè)，單件的生產(chǎn)時(shí)間和成本均沒(méi)有任何差異，零件的成型工藝要求和品質(zhì)控制則更為嚴(yán)格。
3D打印與其它制坯方式的對(duì)比
現(xiàn)階段3D打印技術(shù)的航空應(yīng)用主要集中在金屬結(jié)構(gòu)，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(yīng)用已比較廣泛。國(guó)外用于F-22的3D成型TC4接頭已經(jīng)達(dá)到2倍設(shè)計(jì)疲勞壽命，F(xiàn)/A-18的翼根吊架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的225%，疲勞壽命也達(dá)到4倍設(shè)計(jì)要求，C-17等型號(hào)的進(jìn)氣道附件也都開(kāi)始批量應(yīng)用3D打印，部分3D打印件已能在現(xiàn)有機(jī)型制造中替代鈑金和精鑄件。
中國(guó)在航空3D打印方面取得了很大的成績(jī)，已有多個(gè)型號(hào)應(yīng)用3D打印的承力結(jié)構(gòu)，達(dá)到了縮短制造周期和簡(jiǎn)化工藝的效果，對(duì)產(chǎn)品減重的作用也比較明顯，宣傳資料中甚至有過(guò)減重40%的說(shuō)法。國(guó)內(nèi)很多軍迷僅根據(jù)這個(gè)40%和類似說(shuō)法，就對(duì)航空結(jié)構(gòu)減重抱有很大希望，而這個(gè)40%雖然理論上存在可能，但要受到非常嚴(yán)格的條件和應(yīng)用限制。
SLM制成品的尺寸精度較高，但成型體結(jié)構(gòu)密度控制效果不好，難以承受高載荷的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，承力結(jié)構(gòu)的3D打印主要采用的是LENS。按照已經(jīng)公開(kāi)的3D打印整體框架坯材外形對(duì)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(shù)優(yōu)勢(shì)，但坯材減重比并不代表最終制成品的重量對(duì)比。飛機(jī)的整體結(jié)構(gòu)框架的設(shè)計(jì)要考慮到輕巧、堅(jiān)固，以及工藝和成品機(jī)械/理化性能的一致性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格滿足標(biāo)準(zhǔn)化的要求，不同機(jī)型類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)并沒(méi)有大的差異。
展覽上公開(kāi)的3D打印承力框架制成品，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與鍛造框架并沒(méi)有任何差別，區(qū)別僅體現(xiàn)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(wú)論是采用激光還是電子束作為能量源，無(wú)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(huì)因?yàn)榧庸し绞讲煌兓０船F(xiàn)有技術(shù)，近凈成型燒結(jié)的材料理論密度比鍛造低近1%，選區(qū)熔化方式成型的粉末材質(zhì)密度相對(duì)較小，與鍛造件的密度差別也在3%以內(nèi)，工藝實(shí)現(xiàn)條件越好材料密度差異就越小。
無(wú)論采用什么樣的3D成型方式，同樣零件的材料性能如果沒(méi)有大的差別，零件的制成品重量就不會(huì)存在明顯的差別。所以說(shuō)，3D打印坯材加工方式取得的減重效應(yīng)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(jié)構(gòu)容限保險(xiǎn)設(shè)計(jì)更多，同樣設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)件的凈重甚至還要重些。
按照已公開(kāi)的數(shù)據(jù)看，3D打印鈦合金零件的成品件，抗拉強(qiáng)度和硬度已達(dá)到鍛件的標(biāo)準(zhǔn)，但疲勞壽命和裂紋容限受工藝影響較大，未來(lái)相當(dāng)時(shí)間里還缺乏全面替代鍛造的條件。美國(guó)飛機(jī)制造中大量應(yīng)用整體鍛造框架，對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)的3D打印的應(yīng)用不夠積極，就是考慮到了制成品壽命和質(zhì)量控制困難的因素。中國(guó)在新機(jī)制造上應(yīng)用3D打印承力結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還投入很大資金和技術(shù)力量開(kāi)發(fā)大型鍛壓機(jī)，也是因3D打印無(wú)法解決大型制造成品的批生產(chǎn)要求。3D打印與鍛/鑄造各有優(yōu)勢(shì)，只要航空設(shè)計(jì)和生產(chǎn)體系還基于傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)，鍛/鑄和軋壓仍將是主要工藝成型手段，3D打印的結(jié)構(gòu)減重效應(yīng)就很難得到體現(xiàn)。
基于制造技術(shù)突破的減重措施
按照減重標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，3D打印的密度與鍛造的差異不到1%，而要實(shí)現(xiàn)避免缺陷和改善材料性能的目標(biāo)，密度差異其實(shí)是越小越好。按照實(shí)際生產(chǎn)條件去對(duì)比，某簡(jiǎn)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(qū)別還不到1千克，僅比整體機(jī)械加工的尺寸誤差換算值略大。所以說(shuō)，從成品重量這個(gè)最終指標(biāo)去對(duì)比，3D打印減重效果幾乎可以忽略不計(jì)。
那么宣傳資料中減重40%的說(shuō)法是怎么來(lái)的？這要從飛機(jī)結(jié)構(gòu)工藝去說(shuō)明。現(xiàn)代航空制造的金屬成品結(jié)構(gòu)越復(fù)雜加工難度就越高，很多組合曲面結(jié)構(gòu)還必須依靠數(shù)控設(shè)備加工。第三代之后的先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)采用翼身融合氣動(dòng)設(shè)計(jì)，很大程度上改善了飛機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和設(shè)計(jì)性能。這種設(shè)計(jì)其實(shí)在上世紀(jì)30年代就已經(jīng)存在，但在噴氣戰(zhàn)斗機(jī)應(yīng)用前期沒(méi)使用。融合體結(jié)構(gòu)框架存在大量連續(xù)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(xù)性加工工藝要求高，很難依靠普通機(jī)加工設(shè)備成批制造。數(shù)控設(shè)備在上世紀(jì)70年代大量應(yīng)用后，三軸數(shù)控機(jī)床成為曲面加工的手段，飛機(jī)也就開(kāi)始更多利用結(jié)構(gòu)曲面改善氣動(dòng)設(shè)計(jì)。
連續(xù)曲面變角度結(jié)構(gòu)勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生半封閉空間。設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)機(jī)體結(jié)構(gòu)時(shí)必須考慮到可加工因素，半封閉或封閉復(fù)雜結(jié)構(gòu)難以整體成型加工，必須分解成多個(gè)獨(dú)立的可加工零件，采用組合件的方式滿足結(jié)構(gòu)外形與工藝的要求。組合件的問(wèn)題是每個(gè)零件都必須滿足獨(dú)立強(qiáng)度要求，結(jié)構(gòu)件和桁條等結(jié)構(gòu)也要保證獨(dú)立承力的厚度。采用鉚接和螺接組合零件時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)件緊固位置的孔強(qiáng)度還必須高于零件強(qiáng)度。如果要用螺栓固定某根壁厚2毫米的L型型材，每個(gè)螺栓孔位置的厚度要超過(guò)平均厚度，如果采用鉚釘則需要平均分布多個(gè)鉚釘孔。
組合件組合要求增加了零件的結(jié)構(gòu)重量，組合用標(biāo)準(zhǔn)件也增加了整體重量，對(duì)于某些小型的復(fù)雜輕金屬結(jié)構(gòu)，組合用標(biāo)準(zhǔn)件的重量甚至比零件本身的重量還要高。如果能夠通過(guò)工藝手段直接成型組合件，一體化結(jié)構(gòu)將實(shí)現(xiàn)明顯的減重效果。
如兩個(gè)組合件的對(duì)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(guó)在F-16戰(zhàn)斗機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)中，曾經(jīng)在前機(jī)身結(jié)構(gòu)改進(jìn)中應(yīng)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(guò)11千克的組合件的精鑄件重量降低到4.7千克。利用復(fù)合材料替代金屬材料時(shí)，雖然復(fù)合材料壁板的單體結(jié)構(gòu)重量比鋁合金高，但用桁條膠接為整體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料壁板，卻能夠取消組合件的獨(dú)立桁條和固定鉚釘，總重量反而比組合金屬結(jié)構(gòu)降低了接近30%。
3D打印直接體現(xiàn)的減重優(yōu)勢(shì)主要就是打印出復(fù)雜的封閉/半封閉零件，直接取代由多個(gè)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(shù)量也可以減少，這才是3D打印減重最直接的應(yīng)用方式。
飛機(jī)結(jié)構(gòu)一體化減重是效果最明顯的措施。航空系統(tǒng)很早就在爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件一體化，尤其是復(fù)合材料應(yīng)用到航空結(jié)構(gòu)件后，曲面加筋壁板這種整體結(jié)構(gòu)相比金屬組合件，已經(jīng)表現(xiàn)出很突出的減重和降低零件數(shù)量的優(yōu)勢(shì)。復(fù)合材料工藝水平發(fā)展很快，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)全復(fù)合材料的飛機(jī)，但復(fù)合材料不僅存在成本高和工藝難度大的問(wèn)題，大部件制造還存在維護(hù)和維修難度高的使用困難，限制了復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)大部件方面的應(yīng)用范圍。現(xiàn)代復(fù)合材料還無(wú)法取代結(jié)構(gòu)件的金屬材料，3D打印則通過(guò)高度靈活的成型手段，有利于實(shí)現(xiàn)金屬和多種金屬/非金屬組合結(jié)構(gòu)的一體化，與復(fù)合材料共同組成航空輕重量結(jié)構(gòu)。
3D打印不僅在結(jié)構(gòu)制造上可以發(fā)揮減重作用，也有利于成品安裝和系統(tǒng)布局的減重和改進(jìn)。機(jī)載成品安裝支架或運(yùn)動(dòng)裝置的支撐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，又不是承力結(jié)構(gòu)，很適合采用3D打印方式制造。如果把現(xiàn)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(qū)熔化方式一體成型，將有利于提高結(jié)構(gòu)一致性和裝卸更新的方便性。
飛機(jī)的各種液體和氣體導(dǎo)管種類很多，分布廣泛，管道走向還要避開(kāi)結(jié)構(gòu)件和成品，沒(méi)有辦法在飛機(jī)內(nèi)部設(shè)置長(zhǎng)距離的直管。機(jī)載液、氣管線存在很多彎曲度大的轉(zhuǎn)角，為保證管道彎曲時(shí)的機(jī)械性能，必須在大的轉(zhuǎn)角位置采用轉(zhuǎn)向接頭，消除因?yàn)樾“霃綇澒墚a(chǎn)生的應(yīng)力集中，這就使管線敷設(shè)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(shí)，3D打印出整體彎管替代傳統(tǒng)的機(jī)械彎管、擴(kuò)口和接頭固定，將在保證管道彎曲尺寸要求的同時(shí)，降低管線的零件數(shù)量，提高機(jī)械性能。取消接頭還能減少滲漏檢查和維護(hù)的接口數(shù)量，一體成形的光滑內(nèi)壁還可以優(yōu)化管道內(nèi)部液體和氣體流動(dòng)效果。
3D打印對(duì)復(fù)合材料的支持
3D打印不僅可以用于金屬和非金屬材料，還能夠用于碳纖維這類復(fù)合材料的制造。
現(xiàn)代航空復(fù)合材料主要采用絲材鋪、繞和樹(shù)脂固化。復(fù)合材料絲材采用鋪帶方式疊層制造成型，使復(fù)合材料大都呈現(xiàn)平均厚度的平面結(jié)構(gòu)，組合件則采用粘接或標(biāo)準(zhǔn)件固定的方式。如果將3D打印技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料制造，將絲材的鋪疊和樹(shù)脂填充由平面向立體發(fā)展，能夠使復(fù)合材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)件一體成型，省去零件粘接和共固化的后續(xù)工藝過(guò)程，降低復(fù)合材料整體部件的制造周期，并避免組合加工過(guò)程控制中可能出現(xiàn)的工藝缺陷。3D打印可以制造出立體網(wǎng)格形的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，每個(gè)網(wǎng)格的空間尺寸可以達(dá)到高度一致，雖然網(wǎng)格結(jié)構(gòu)并不適合獨(dú)立作為航空部件，但卻可以成為航空復(fù)合結(jié)構(gòu)件的基材。
網(wǎng)格結(jié)構(gòu)基材與復(fù)合材料纖維組合，利用樹(shù)脂固化/燒結(jié)金屬/陶瓷與復(fù)合材料，能較好兼顧強(qiáng)度、曲面外形和安裝組合的要求。高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)全復(fù)合材料葉片與金屬葉盤組合時(shí)，不同的材料機(jī)械、熱性能對(duì)工藝要求很高，設(shè)計(jì)和施工難度也很大。如果用3D打印技術(shù)將金屬基材料與復(fù)合材料組合制成葉片，金屬的葉根與盤體材料性能一致，能明顯降低發(fā)動(dòng)機(jī)葉盤的組裝難度，也有利于在發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)中直接替代全金屬葉片，為發(fā)動(dòng)機(jī)整體減重提供非常大的改進(jìn)空間。
3D打印的應(yīng)用限制
3D打印能夠有效提高航空產(chǎn)品的工藝和制造水平，通過(guò)結(jié)構(gòu)減重改善航空器性能的潛力也很大，但實(shí)際應(yīng)用所面對(duì)的技術(shù)局限也非常明顯，直接限制了3D打印在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。3D打印的一體化制造能夠取得減重效應(yīng)，那把飛機(jī)的大部件都用3D打出來(lái)不行嗎？飛機(jī)大部件全3D打印的技術(shù)難度并不算大，目前國(guó)外已實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度超過(guò)5米，直徑1.2米矩形框的3D整體成型，將飛機(jī)前機(jī)身的框架一體化制造，在加工工藝方面是沒(méi)有問(wèn)題的。理論上只要結(jié)構(gòu)材料相同，大部件整體打印并沒(méi)有什么難度，選區(qū)熔化成型件的表面粗糙度比較高，基本能滿足替代鈑金組合件的工藝要求。問(wèn)題是現(xiàn)在的飛機(jī)結(jié)構(gòu)并不僅是要滿足尺寸要求，而是要滿足飛機(jī)使用和維護(hù)的各方面需要。
現(xiàn)代作戰(zhàn)飛機(jī)的機(jī)載設(shè)備分布全機(jī)，飛行控制、燃料和電源系統(tǒng)的導(dǎo)管與線纜同樣分布廣泛。遍布全機(jī)的設(shè)備和管線需要頻繁維護(hù)，這就要求飛機(jī)表面必須開(kāi)有對(duì)應(yīng)的檢查口蓋，先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的表面開(kāi)口率甚至可以超過(guò)60%。設(shè)備檢查開(kāi)口需要內(nèi)部結(jié)構(gòu)避讓，機(jī)體結(jié)構(gòu)還要留出故障件更換所需的操作空間。如果機(jī)體結(jié)構(gòu)的大部件實(shí)現(xiàn)一體化，內(nèi)部成品設(shè)備和導(dǎo)管等無(wú)法分解的部件，將很難利用外場(chǎng)維護(hù)條件實(shí)現(xiàn)無(wú)損更新。
如果把內(nèi)部設(shè)備分解化裝配，成品與導(dǎo)管增加的接頭和組合件，又會(huì)在很大程度上消耗掉結(jié)構(gòu)整體化的收益，增加外場(chǎng)維修和檢查難度將惡化飛機(jī)的完好率，也不利于軍用飛機(jī)隨使用過(guò)程進(jìn)行改裝完善。現(xiàn)代軍用飛機(jī)的改進(jìn)很頻繁，如美國(guó)海軍已退役的F-14艦載戰(zhàn)斗機(jī)，各種設(shè)備和結(jié)構(gòu)隨飛機(jī)生產(chǎn)過(guò)程調(diào)整，最終幾乎不存在兩架結(jié)構(gòu)和成品完全一致的飛機(jī)。如果實(shí)現(xiàn)3D打印大部件直接替代組合件，現(xiàn)在的很多改進(jìn)措施事實(shí)上將無(wú)法應(yīng)用，或在改進(jìn)中必須對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大范圍更換，時(shí)間與資金的消耗直接限制了飛機(jī)改造的效費(fèi)比。
事實(shí)上，越是功能和設(shè)備簡(jiǎn)單的飛機(jī)越容易實(shí)現(xiàn)一體化，越是設(shè)備和功能要求復(fù)雜的飛機(jī)，對(duì)結(jié)構(gòu)可拓展性和包容性的要求就越高，采用大規(guī)格一體化結(jié)構(gòu)的難度和全壽命成本就越大。維護(hù)難度是限制大規(guī)格一體化結(jié)構(gòu)的難點(diǎn)，飛機(jī)本身的使用特點(diǎn)更影響到整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍?，F(xiàn)代噴氣戰(zhàn)斗機(jī)的飛行速度可達(dá)到M1.5，地面停放時(shí)的低溫可達(dá)到-50℃，飛行時(shí)也存在結(jié)冰等低溫環(huán)境的影響，但駐點(diǎn)溫度在高速飛行時(shí)甚至要超過(guò)百度，M2以上速度的駐點(diǎn)溫度甚至可以達(dá)到200℃，機(jī)體外表和結(jié)構(gòu)還要承受高速飛行的速壓。
同時(shí)，飛機(jī)內(nèi)部設(shè)備艙和管線需要進(jìn)行溫度和壓力控制，發(fā)動(dòng)機(jī)段存在高溫區(qū)，均使機(jī)體結(jié)構(gòu)和蒙皮要反復(fù)承受高/低溫和壓力變換的影響。金屬材料在飛機(jī)使用過(guò)程中，不同材料和結(jié)構(gòu)存在不同的膨脹系數(shù)，不同使用環(huán)境將對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生多種狀態(tài)的應(yīng)力。整體固定結(jié)構(gòu)勢(shì)必集中承受這些應(yīng)力作用，大規(guī)格整體結(jié)構(gòu)很難平衡各種因素的影響，很容易因?yàn)閼?yīng)力集中和傳導(dǎo)產(chǎn)生破損和裂紋，結(jié)構(gòu)損壞將主要集中在零件的折角和孔位。組合件雖然在加工和使用中存在問(wèn)題，但組合件本身就是個(gè)分解應(yīng)力的分散結(jié)構(gòu)，更容易承受飛機(jī)使用的惡劣環(huán)境要求，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形和裂紋時(shí)也方便更換破損零件，這也是3D打印大部件難以替代的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
3D打印大部件的應(yīng)用前景
3D打印可以支持航空設(shè)計(jì)師實(shí)現(xiàn)夢(mèng)寐以求的組合件最大化，以及最小化裝配量的高經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)。通過(guò)3D打印技術(shù)制造整體零件，有條件把維護(hù)和結(jié)構(gòu)允許的部分一體化，大幅度減少因?yàn)榱慵?shù)量和裝配工藝所產(chǎn)生的重量，使飛機(jī)設(shè)計(jì)和裝配的難度明顯得到降低。
國(guó)內(nèi)外現(xiàn)階段3D打印的應(yīng)用范圍還不大，主要集中在復(fù)雜零件的快速原型和小批制造，但以鑄造件對(duì)航空裝備減重的效果作為依據(jù)，只要突破了設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，3D打印一體化應(yīng)用的發(fā)展將是必然的趨勢(shì)。
隨著3D打印技術(shù)應(yīng)用成熟度的提高，也將出現(xiàn)相應(yīng)的工藝和制造規(guī)范。3D打印只要突破整體大部件材料堆積速度和制成品質(zhì)量/壽命控制的難關(guān)，將會(huì)首先在大型民用和軍用特種飛機(jī)(普遍采用民用飛機(jī)作為平臺(tái))制造中得到應(yīng)用。民用大飛機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)尺寸大，機(jī)體開(kāi)口比例低，飛機(jī)交付后一般不會(huì)進(jìn)行大的結(jié)構(gòu)改動(dòng)，適合3D打印一體化大部件的應(yīng)用。按照空客公司的設(shè)想，未來(lái)的民用飛機(jī)可以利用3D打印的方式，采用“鳥(niǎo)巢”式網(wǎng)格結(jié)構(gòu)整體成型機(jī)體，用透明件填充框架，讓民用客機(jī)擁有“花房”式全景布局的機(jī)體，最大化發(fā)揮3D打印所帶來(lái)的性能和使用優(yōu)勢(shì)。
國(guó)外已經(jīng)制造出全3D打印的無(wú)人機(jī)的機(jī)體和發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)用3D打印生產(chǎn)小型化、低維護(hù)要求航空產(chǎn)品的目標(biāo)。按照國(guó)外航空企業(yè)的遠(yuǎn)景規(guī)劃，到2050年就有實(shí)現(xiàn)飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)3D打印成型的可能，屆時(shí)將會(huì)出現(xiàn)由3D打印大部件組成的實(shí)用型民用中、大型航空器。
3D打印實(shí)際應(yīng)用的成本和成熟性
3D打印可降低毛坯件重量和減少機(jī)加工時(shí)間，能提高生產(chǎn)速度和降低成本，但這只是比較零件的后期加工費(fèi)用，而沒(méi)有考慮到全生產(chǎn)周期的綜合成本。3D打印需要精細(xì)度很高的粉材作為基材。高精細(xì)度和高純度的粉材，制造工藝和單位重量成本遠(yuǎn)高于金屬坯材基料。普通的民用塑料件每千克成本不過(guò)幾十元，可用于3D打印的同材料粉材每千克成本上百元，進(jìn)口高品質(zhì)粉材的成本可達(dá)幾百元，航空用金屬材料的坯、粉材料成本差異也大體相似。
事實(shí)上，3D打印的基材本身就要對(duì)原坯進(jìn)行專門的加工，使冶煉坯料成為可用于燒結(jié)的高純度粉材，而宣傳3D打印時(shí)卻很少考慮這方面的生產(chǎn)周期和成本。嚴(yán)格說(shuō)起來(lái)，常規(guī)鍛件由鑄造的坯材軋壓成型后加工，與先制成粉材后再通過(guò)燒結(jié)方式3D成型后加工，綜合成本必須統(tǒng)計(jì)整個(gè)生產(chǎn)周期的成本，而不是僅去對(duì)比毛坯件成型和機(jī)加工周期成本。
3D打印航空零件雖然已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用了十幾年，但作為關(guān)鍵件使用的歷史并不長(zhǎng)，沒(méi)有哪個(gè)型號(hào)真正完成了全壽命實(shí)際使用的驗(yàn)證。3D打印零件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)確實(shí)比較理想，但與經(jīng)過(guò)上百年傳承的常規(guī)工藝相比，3D打印存在有很多還不夠清晰的應(yīng)用問(wèn)題，需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用才能夠積累足夠的數(shù)據(jù)。3D打印減重最直接的措施就是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)一體化，而沒(méi)有得到完整的設(shè)計(jì)體系支持的一體化，僅能在生產(chǎn)制造階段發(fā)揮直接作用，在周期最長(zhǎng)的使用階段的經(jīng)濟(jì)效益卻缺乏驗(yàn)證，而且存在比常規(guī)工藝更大的質(zhì)量控制風(fēng)險(xiǎn)。3D打印零件需要長(zhǎng)時(shí)間使用才能積累應(yīng)用數(shù)據(jù)，目前設(shè)計(jì)師和使用者都不敢放開(kāi)3D打印的應(yīng)用范圍。
3D打印能適應(yīng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，工藝實(shí)現(xiàn)難度比鑄/鍛要低。但是，3D打印單件與批量的生產(chǎn)消耗沒(méi)有差異，相比之下，鍛/鑄生產(chǎn)制造出模具就可以重復(fù)制造，批生產(chǎn)消耗明顯低于首件。因此，達(dá)到批生產(chǎn)效益平衡點(diǎn)的可以利用3D制造，否則還是應(yīng)采用常規(guī)方式。現(xiàn)代軍機(jī)的正常生產(chǎn)周期在1年左右，飛機(jī)壽命卻能達(dá)到30年，結(jié)構(gòu)壽命也有近萬(wàn)飛行小時(shí)，這個(gè)期間所面對(duì)的問(wèn)題遠(yuǎn)比生產(chǎn)周期更多，也更復(fù)雜。
3D打印用于設(shè)計(jì)驗(yàn)證與原型機(jī)的快速制造時(shí)，短周期和低成本的優(yōu)勢(shì)明顯，如果把3D打印零件廣泛用于批生產(chǎn)型號(hào)，帶來(lái)的縮短生產(chǎn)周期和降低成本的收益是否能平衡全壽命周期內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)還是問(wèn)號(hào)。3D打印是足以影響航空設(shè)計(jì)和制造的前沿技術(shù)，但這種技術(shù)真正融合到航空工藝體系中，所需要的時(shí)間和應(yīng)用研究還遠(yuǎn)非現(xiàn)在的規(guī)模所能企及。
