江洪 劉敬儀

3D打印技術(shù)是目前受到較多學(xué)科和學(xué)者關(guān)注的一項(xiàng)新型技術(shù)，現(xiàn)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到建筑、航空航天、醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域中.本文通過梳理近10年國內(nèi)外3D打印在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用的相關(guān)文獻(xiàn)，將這些相關(guān)文獻(xiàn)主要?dú)w納為2個方面：一是具體應(yīng)用探索；二是應(yīng)用發(fā)展與問題分析，以期從這2個方面為相關(guān)學(xué)者提供有意義的參考。

本文采用王元楨對3D打印技術(shù)的概念解釋：3D 打印技術(shù)是一種新的技術(shù)，有別于以減材加工為主要思想的傳統(tǒng)加工技術(shù)，3D 打印技術(shù)的主要思路是增材加工。該技術(shù)最初起源于19世紀(jì)末的美國，但因?yàn)榧夹g(shù)限制一直沒有得到較大的發(fā)展，直到20世紀(jì) 80 年代開始才有了大幅度的推廣與應(yīng)用，3D 打印技術(shù)傳入我國后，也得到了許多科研工作者的重視，并且在一些領(lǐng)域取得了不可小覷的成就，因其具有如節(jié)能節(jié)材、制造周期短、不受零件復(fù)雜程度限制等優(yōu)點(diǎn)，所以在一定程度上推動著民生和科研各個領(lǐng)域的發(fā)展[1]。

1 具體應(yīng)用探索

Kroll E和Artzi D主要展示了快速原型（Rapid Prototyping，RP）模型提供的好處，指出其可以用于風(fēng)洞測試作為四年級航天工程學(xué)生項(xiàng)目的一部分，并討論了克服3D打印技術(shù)帶來的一些困難的方法，采用基于聚合物的RP用于制造2架飛機(jī)模型，包括加強(qiáng)金屬嵌件的方法。對某亞音速風(fēng)洞進(jìn)行了試驗(yàn)。將最終結(jié)果與分析性能預(yù)測進(jìn)行了比對，得出低成本快速原型風(fēng)洞模型產(chǎn)生了滿意的空氣動力學(xué)性能，在采購成本和時間上的節(jié)省使得在嚴(yán)格的學(xué)術(shù)預(yù)算和時間表框架內(nèi)將實(shí)際測試納入飛機(jī)設(shè)計(jì)過程成為可能的結(jié)果。此外還發(fā)現(xiàn)以下實(shí)際影響：①進(jìn)行實(shí)際風(fēng)洞測試對學(xué)生的教育經(jīng)驗(yàn)有重大貢獻(xiàn)；②然而，當(dāng)金屬模型制作是唯一的選擇時，這種方法很少被采用；③相比之下，RP通過提供一種快速和負(fù)擔(dān)得起的模型制造方法，促進(jìn)并增強(qiáng)了現(xiàn)實(shí)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)[2]。

朱偉軍等人主要進(jìn)行了基于3D打印的舵面可調(diào)實(shí)用化飛機(jī)風(fēng)洞模型的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，認(rèn)為飛機(jī)風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)和加工作為風(fēng)洞試驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)，對飛機(jī)研制的周期和成本皆產(chǎn)生重要的影響。為進(jìn)一步提高飛機(jī)研制的效率，他們提出了基于3D打印技術(shù)的實(shí)用化飛機(jī)風(fēng)洞模型的設(shè)計(jì)和制造方法，具體采用了3D打印加工樹脂氣動外殼和機(jī)加工金屬強(qiáng)化骨架的復(fù)合結(jié)構(gòu)方案，對某型號飛機(jī)的低速全機(jī)測力模型進(jìn)行了設(shè)計(jì)與測試。此外，他們還提出了變角片和旋轉(zhuǎn)軸——定位銷2種舵面偏角方案，為降低因?yàn)檠b拆磨損帶來的樹脂精度損失而設(shè)計(jì)了內(nèi)嵌金屬套筒，最后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論：①在氣動結(jié)果對比中，發(fā)現(xiàn)3D打印技術(shù)能夠?qū)?shí)用化模型進(jìn)行加工，可用于型號飛機(jī)的研制；②在經(jīng)濟(jì)性分析方面，3D打印技術(shù)加工可以有效影響飛機(jī)設(shè)計(jì)工作者對模型快速設(shè)計(jì)和加工的需求，可以有助于提高飛機(jī)設(shè)計(jì)效率，對提高模型在風(fēng)洞中的共振安全性有十分重要的意義；③在技術(shù)限制方面，主要提到2個方面的內(nèi)容，一是使用樹脂的可靠性需要進(jìn)一步驗(yàn)證，二是需要進(jìn)一步驗(yàn)證大展弦比、大升力機(jī)翼模型制造的可行性[3]。

Sunil C.Joshi和Abdullah A.Sheikh介紹了3D打印在航天領(lǐng)域及其長期可持續(xù)性，2位學(xué)者注意到航空航天界已經(jīng)對3D打印技術(shù)產(chǎn)生了較為濃厚的興趣，并對航空航天領(lǐng)域的3D打印技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，探討了其優(yōu)于傳統(tǒng)制造工藝并且更受歡迎的諸多方面，同時還探討了專門為航空航天應(yīng)用開發(fā)的材料及其特性，對3D打印在世界各地不同的公司與組織正在進(jìn)行的活動進(jìn)行了調(diào)查。此外，他們還重點(diǎn)介紹了外太空印刷方面的項(xiàng)目工作，也提出了3D打印工藝操作雖然簡單，但在材料的種類、質(zhì)量和數(shù)量上依然存在一定的局限性，指出了當(dāng)下微重力3D打印相關(guān)的挑戰(zhàn)，最后對航空航天工業(yè)的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望[4]。

劉磊、劉柳和張海鷗3人探討了3D打印技術(shù)在無人機(jī)制造中的應(yīng)用，提到2011年8月1日，由英國南安普敦大學(xué)的工程師設(shè)計(jì)并試飛的世界上第一架“打印”出來的名為SULSA的無人駕駛飛機(jī)，標(biāo)志著無人機(jī)制造進(jìn)入了3D打印時代，其具有標(biāo)志性意義的原因是其整架飛機(jī)都采用了3D打印技術(shù)。3位學(xué)者還分析了3D打印技術(shù)應(yīng)用于無人機(jī)制造的必然性，主要集中在以下6個方面：①3D打印技術(shù)的成熟為無人機(jī)制造可以提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)；②傳統(tǒng)工藝逐漸無法滿足無人機(jī)的發(fā)展趨勢；③經(jīng)濟(jì)效益促使無人機(jī)制造選擇3D打??；④3D打印技術(shù)的時效性是獨(dú)有優(yōu)勢，也是無人機(jī)制造的需求；⑤大量復(fù)合材料的使用為3D打印技術(shù)提供了發(fā)揮空間；⑥3D打印技術(shù)具有綠色環(huán)保的優(yōu)勢，綠色環(huán)保是世界各國努力的共同方向。林割愛還介紹了3D打印技術(shù)在無人機(jī)制造的應(yīng)用現(xiàn)狀，主要分為整體打印無人機(jī)和打印無人機(jī)關(guān)鍵部件這2種，此外，對3D打印技術(shù)在無人機(jī)制造中的應(yīng)用趨勢進(jìn)行了展望，指出其將朝高精度化、高智能化和通用化等方向發(fā)展[5]。

譚立忠和萬芳2位學(xué)者探究了3D打印技術(shù)在國外航空航天領(lǐng)域的最新進(jìn)展，并在方法研究、平臺研究和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化等方面進(jìn)行了詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)其在以上幾個方面皆取得了較為顯著的進(jìn)展，3D打印市場也保持著快速增長的良好發(fā)展態(tài)勢。此外，國外3D打印技術(shù)還得到了政府與軍方的大力支持，應(yīng)用范圍也從零部件到整機(jī)實(shí)現(xiàn)了較大拓展，應(yīng)用深度也開始趨向“前段”部署。最后，2位學(xué)者在探索的基礎(chǔ)上提出了3D打印技術(shù)在傳統(tǒng)制造工藝對復(fù)雜形狀的限制方面進(jìn)行了突破，很大幅度上降低了生產(chǎn)的成本，帶來了生產(chǎn)加工觀念的革命性轉(zhuǎn)變，極大地推動了全球航空航天領(lǐng)域的發(fā)展，因此，3D打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用將是“漸進(jìn)式”而不是“革命性”的[6]。

丁紅瑜等學(xué)者通過探索3D打印技術(shù)在骨科醫(yī)療植入物方面的應(yīng)用，找出其對民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)件適航認(rèn)證的啟示，發(fā)現(xiàn)3D打印技術(shù)在民用航空領(lǐng)域的應(yīng)用較其在骨科醫(yī)療植入物方面略微晚一些，而適航認(rèn)證流程是一個較重要的阻礙因素，因此零件裝機(jī)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)必須嚴(yán)格遵循民用航空法規(guī)的要求與整個適航認(rèn)證流程相匹配。針對探索實(shí)際情況，最后給出3方面的借鑒和參考：①進(jìn)行結(jié)構(gòu)件的適航認(rèn)證應(yīng)盡量選擇Ti6Al4V合金、AlSi10Mg合金、UL-TEM 9085樹脂等材料，但隨著更多材料被陸續(xù)開發(fā)，選材的范圍也會隨之?dāng)U大，技術(shù)的進(jìn)步也會帶來更多的選擇；②從結(jié)構(gòu)件的服役條件來看，3D打印結(jié)構(gòu)件的考核指標(biāo)除了關(guān)注其尺寸精度和表面粗糙度等性能外，還應(yīng)該考慮其顯微組織特征、缺陷形態(tài)及分布情況等因素，從而保證其可以在全壽命周期內(nèi)皆可以穩(wěn)定地發(fā)揮其功能；③在適航認(rèn)證的流程方面出發(fā)，申請方應(yīng)了解3D打印的材料——結(jié)構(gòu)一體化的特征，邀請適航審查當(dāng)局從源頭中加入，雙方有效溝通，從而避免做無用功[7]。

韓壽波等學(xué)者主要對航空航天用的高品質(zhì)3D打印金屬粉末進(jìn)行了研究與應(yīng)用方面的探索，察覺到近些年金屬3D打印的飛速發(fā)展，總結(jié)出高品質(zhì)金屬3D打印設(shè)備主要采用的粉末補(bǔ)給方式為鋪粉型或同軸送粉型2種，并從純凈度、粉末粒度分布、粉末形貌與粉末流動性和松裝密度這4個主要性能指標(biāo)展開進(jìn)一步說明。同時他們還介紹了金屬粉末的制備工藝，有氬氣霧化法（AA法）、等離子旋轉(zhuǎn)電極法（PRER法）、等離子火炬霧化制粉技術(shù)和包含同軸射流水-氣聯(lián)合霧化法在內(nèi)的其他3D打印用金屬粉末制備技術(shù)。此外，在粉末形貌、粉末粒度分布、粉末氧含量這3個方面進(jìn)行了粉末特性的比較，并發(fā)現(xiàn)AA法和PRER法制備的粉末性能較優(yōu)異，已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用。同時他們也指出PRER法在制備超細(xì)球形粉末時收得率并不高，生產(chǎn)效率相對較低，還需優(yōu)化工藝，進(jìn)一步提高超細(xì)球形金屬粉末的收得率，以提高PREP法金屬粉末的性價(jià)比，從而使其適應(yīng)各類型3D打印設(shè)備[8]。

林旭斌和王暉娟2位學(xué)者主要根據(jù)國外3D打印技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展，介紹了該技術(shù)在高超聲速飛行器的分系統(tǒng)、零部件等多個層級產(chǎn)品上的應(yīng)用。首先介紹了美國軌道ATK公司（Orbital ATK）對一型高超聲速戰(zhàn)斗部成功進(jìn)行了爆破，該戰(zhàn)斗部主要以3D打印為制造方式，其具有5個主要部件，其中3個都是由3D打印方法所制備，其成功制備與試驗(yàn)也實(shí)現(xiàn)了高超聲速技術(shù)的一項(xiàng)重要突破，同時也在高超聲速發(fā)展過程中具有里程碑的意義。其次，筆者介紹了軌道ATK公司對一型通過3D打印技術(shù)制造的燃燒室進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，且該型燃燒室的成功制備得益于引入3D打印技術(shù)，采用的3D打印方法是“粉末床熔融”法。最后，在高超聲速材料層級方面介紹了美國空軍實(shí)驗(yàn)室（AFRL）完成了對一種由3D打印成型的碳氧化硅材料的風(fēng)洞測試。該類碳氧化硅具備的優(yōu)秀性能，有達(dá)到航空器動力系統(tǒng)與高超聲速飛行器的大型構(gòu)件的使用要求的希望。通過上述實(shí)際案例的介紹與分析，學(xué)者們最后得出3D打印制造方法與傳統(tǒng)的等材制造等方法具有本質(zhì)的區(qū)別，也對未來3D打印技術(shù)在零部件快速維修和快速批量生產(chǎn)等方面體現(xiàn)的獨(dú)一無二的優(yōu)勢做出了展望[9]。

2 應(yīng)用發(fā)展與問題分析

R.Bogue曾經(jīng)在2013年的時候?qū)ΜF(xiàn)有的3D打印技術(shù)和其應(yīng)用做了較為全面的介紹，提到了3D打印在近些年的發(fā)展之迅速，已應(yīng)用至航空航天等多個與人類生活息息相關(guān)的領(lǐng)域，并且為人類生活帶來便利。同時，他們通過對3D打印技術(shù)及其相關(guān)應(yīng)用的梳理，得出了以下結(jié)論：3D打印技術(shù)可用于各種不同的材料，除了在過去占主導(dǎo)地位的快速原型設(shè)計(jì)，它們現(xiàn)在正被用于不同行業(yè)的各種制造應(yīng)用中，暢想未來，3D打印可能會改變許多產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)方式，并預(yù)示著一個“個人制造”的時代[10]。

吳復(fù)堯等學(xué)者主要探討了3D打印技術(shù)在國外航空航天領(lǐng)域的發(fā)展動態(tài)，學(xué)者們指出在航空航天領(lǐng)域，3D打印技術(shù)可以主要集中為2個方面：①零件模型制造、演示驗(yàn)證部件和鑄造模具的快速制造，原材料一般為非金屬，如塑料等，工藝方法通常為光固法（SL）、分層實(shí)體制造（LOM）、熔融沉積法（FDM）和三維印刷法（3DP）等等，該方面的技術(shù)已實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用；②結(jié)構(gòu)和功能性零部件的快速制造，屬于時下較熱的研究點(diǎn)，國外已發(fā)展成熟的金屬零件快速成形技術(shù)有選擇性激光燒結(jié)（SLS）、激光快速成形（LSF）、電子束成形（EBM）等等。而不論是哪種3D打印技術(shù)，一般都具有以下工藝特點(diǎn)：①快速性；②低成本；③不限制制作原型所用的材料，可以使用各種金屬和非金屬材料；④可適用于加工各種形狀的部件；⑤具有高柔性；⑥高集成化，同時學(xué)者們提到英美等國已經(jīng)陸續(xù)制定了有關(guān)于發(fā)展和推動增材制造技術(shù)的國家戰(zhàn)略和規(guī)劃，美國的波音公司與洛馬公司、法國的SAFRAN公司、英國的羅·羅公司、意大利的AVIO 公司等多家世界知名企業(yè)都開展了3D打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用研究。此外，美國軍方已利用3D 技術(shù)成功試制出了導(dǎo)彈彈出式點(diǎn)火器模型，并且取得了良好效果，學(xué)者們認(rèn)為未來在航空航天領(lǐng)域方向，3D打印技術(shù)的的發(fā)展將集中于異型復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造、小批量、短周期、低成本制造、新材料新結(jié)構(gòu)研制等方面，以期實(shí)現(xiàn)從航天制造向航天創(chuàng)造的跨越式發(fā)展[11]。

柳建等學(xué)者探索了國內(nèi)3D打印行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，在航空航天領(lǐng)域方面，提到國內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)的黃衛(wèi)東團(tuán)隊(duì)采用了LENS對金屬零件進(jìn)行了直接制造，并且已經(jīng)成功地對航空發(fā)動機(jī)葉片進(jìn)行了再制造修復(fù)，北京航空航天大學(xué)的王華明教授已經(jīng)成功開發(fā)出飛機(jī)大型整體鈦合金主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成形工程化成套裝備，這也成形出世界范圍內(nèi)最大的鈦合金飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)件。而位于成都的致力于打造國家航空產(chǎn)業(yè)3D 打印示范基地——增材制造（3D 打?。┊a(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟的成立，也為3D打印技術(shù)與航空航天事業(yè)更好地結(jié)合提供了研究平臺和廣闊空間。但同時應(yīng)注意到，3D打印依然存在一些問題，如設(shè)備昂貴、尚不成熟的金屬零部件直接打印、精度不夠等問題[12]。

吳復(fù)堯、邱美玲和王斌這3位學(xué)者主要研究了3D打印無人機(jī)的現(xiàn)狀并分析了尚存問題.學(xué)者們指出無人機(jī)零部件的制造因無人機(jī)性能指標(biāo)的逐步提高而對先進(jìn)材料和制造工藝提出了更高的要求，在國外，如英國的一家先進(jìn)制造中心（AMRC）便結(jié)合3D打印制造出一款無人機(jī)，此無人機(jī)的發(fā)動機(jī)采用了天然氣渦輪機(jī)。隨后，弗吉尼亞大學(xué)的研究人員也是利用3D打印技術(shù)制造了一架巡航速度可達(dá)到83 km/h，機(jī)翼寬為1.98 m的無人機(jī)，美國的Solid Concepts民營公司，更是采用3D打印技術(shù)在一夜之間制成了多種型號的無人機(jī)機(jī)身和機(jī)翼等，根據(jù)已有案例可預(yù)想3D打印無人機(jī)的未來是十分廣闊的，但也存在一些亟待解決的問題，如零部件的結(jié)構(gòu)形式采用3D打印技術(shù)制造優(yōu)勢并不明顯甚至可以說是不存在優(yōu)勢、無人機(jī)采用的一些材料還不能進(jìn)行3D打印、3D打印處于發(fā)展階段，工程方面的探索存在一定的風(fēng)險(xiǎn)性、缺乏3D打印技術(shù)的專業(yè)人才等[13]。

韓淑芬、陳偉偉和于潔3位學(xué)者則主要從3D打印高分子材料為著手點(diǎn)，探究了聚乳酸 （PLA）、聚己內(nèi)酯（PCL）、聚醚醚酮 （PEEK）、聚碳酸酯（PC） 和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料 （ABS） 等材料在3D打印技術(shù)中的應(yīng)用，并對這些材料相對應(yīng)的改性方法和改性材料的應(yīng)用性能加以梳理，得出若改性和擴(kuò)充已有的3D打印材料，3D打印產(chǎn)品將可以被廣泛用至醫(yī)療、生物組織工程和航空航天等諸多領(lǐng)域領(lǐng)域，而3D打印技術(shù)也將成為一種主要的塑料加工技術(shù)。其中，航空航天領(lǐng)域的塑料制造可以通過改性具有較差生物相容性的材料以提高其力學(xué)性能的方式進(jìn)行3D打印[14]。

陳雙、吳甲民和史玉升3位學(xué)者則是對3D打印材料和其應(yīng)用進(jìn)行了概述，其中提到航空航天領(lǐng)域可以使用鈦及鈦合金作為較理想的材料，因鈦及鈦合金具有較高的比強(qiáng)度、良好的耐熱性、耐腐性和生物相容性等優(yōu)良特點(diǎn)。目前3D打印鈦及鈦合金的種類有純Ti、Ti6A14V（TC4）和Ti6A17Nb，此外，鎳基合金因其在650～1000℃高溫條件下具有較高的強(qiáng)度和一定的抗氧化腐蝕能力的特點(diǎn)也可以成為航空航天領(lǐng)域的一個較好選擇，而值得注意的是3D打印陶瓷材料因其具有有別于聚合物和金屬材料的特點(diǎn)：較高的硬度、能耐高溫、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等也可以被應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域中，而未來，將有更多優(yōu)良材料運(yùn)用至3D打印中，也將為航空航天領(lǐng)域發(fā)展貢獻(xiàn)力量，但同時應(yīng)注意到需解決3D打印材料的標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化方面存在的難題[15]。

3 結(jié)語

3D打印在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用隨著時代的前進(jìn)也在發(fā)生一定的變革，從單一部件的打印到完整物件的打印，這期間必將經(jīng)歷諸多挫折，凝聚更多研究者們的心血，攻克更多的難關(guān)，但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，可用于3D打印的材料會逐漸增多，性能也將越來越高，3D打印技術(shù)與航空航天事業(yè)也必將碰撞出更多精彩“火花”，突破傳統(tǒng)，走向新未來！

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