沈海军

3D打印技术又称作“增材制造技术”，实际上是一类利用光固化、纸层叠或熔融沉积等手段的新型快速成型技术。3D打印技术最早出现在上世纪90年代，它与普通打印工作原理有类似之处：3D打印机（装置）内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层累积起来，最终把计算机上的虚拟模型变成实物。

这种技术已经在珠宝、工业设计、建筑工程和施工、汽车、牙科和医疗产业、教育、地理信息、土木工程、枪支等领域取得应用。对于航空航天领域来说，3D打印仍然是一项非常前沿的制造技术。但是，近几年，一些全球领先的航空制造企业已开始逐渐涉足这一领域，成果频出，已初见端倪。

一、3D打印技术的历史

在多数人眼里，3D打印还是一个新生事物，其实在三十年前3D打印的设想就已经开始酝酿。从70年代诞生到现在，3D计算机辅助设计经历了飞跃式发展，已成为广大设计人员的有力工具。快速成型技术几乎与3D计算机辅助设计的发展同步，人们从使用3D计算机辅助设计的那天起就希望方便地将设计“转化”为实物，因此也就有了发明3D打印机的想法。

在目前的3D打印机行业中，Z Corporation和Stratasys两家公司是理所当然的“巨头”。Z Corporation公司发源于1994年。当时，几个来自麻省理工学院的技术专家发明了3D打印技术并申请了专利。1997年，他们为将3D打印技术推向市场，成立Z Corporation公司。从那时起，Z Corporation就一直占据着3D打印机市场的半壁江山。美国Stratasys公司是1990年成立的，以研发基于熔融沉积技术的快速成型机见长。由于熔融沉积技术的3D打印机具有得天独厚的优势，适合汽车、家电、电动工具、机械加工、精密铸造及工艺品制作，因此Stratasys的产品也占据了全球3D打印机市场的巨大份额。

本世纪以来，3D打印进入快速成长期。2011年6月，南安普顿大学的研究者利用3D打印技术制作了一架翼展约2米、最高时速可达100英里的小型飞机。2013年1月，王华明联合研发团队打印出了大型飞机整体钛合金关键构件，凭 “3D激光快速成形技术”获国家技术发明一等奖。2013年5月，同济大学3D打印微小飞机试飞成功。2013-2014年期间，我国自动控制研究所在某复杂传感器外壳的再造实验中获得成功，并开始了某型惯导台体3D打印的生产加工。2014年，霍尼韦尔成功地利用3D打印技术生产出了单晶铸件，并装配至TFE731-60型发动机的涡轮叶片上，这款发动机正为达索旗下的猎鹰900公务机提供动力。现在，空客在A380客舱里已经使用了3D打印的行李架；“台风”战斗机中也使用了3D打印的空调系统。最近，空客公司提出了“透明飞机概念”计划，制定了一张“路线图”，从打印飞机的小部件开始，一步一步发展，希望最终在2050年左右用3D打印机打印出整架飞机来。

二、3D打印，航空制造业的一次技术革命

随着3D打印技术逐步向实际使用阶段过渡，它将为航空创造业带来巨大的技术变革。

首先，3D打印技术可加速新型航空产品的研发。从事过设计的人都知道，产品设计时仅考虑功能是远远不够的，还需要考虑工艺可行性、如何检验、品质如何保证等等。三维打印，特别是金属三维打印，使相关核心件的设计完全摆脱了工艺制约。铸造不了、锻造不了、机械加工不了的复杂构件，对三维打印都不是障碍。长期以来，在我国航空工业，不是不知道采用什么样的结构可实现更优秀的性能，而是在于，工艺上解决不了，知道应做成啥样子也做不出来。从这个角度，金属三维打印技术，解除了对设计人员的巨大束缚；产品研发变得相对简单快捷。

其次，3D打印技术节省了产品样件研制的费用。传统上的新产品开发，要制造样件，同样需要模具。在产品定型前，模具不需要长寿命，成本可低些，但低得有限。在随后的多次实验中，往往需要根据实验结果修改设计，修改后要再做模具、再实验，重复十次甚至更多是很正常的。这个过程中，模具制作时间，几乎要占据产品开发时间的一半以上，实验所需时间约占30%左右；模具制作费用，也要占到开发成本的50~70%；其它为实验费用、研发人员工资等；模具完成后，样件的加工成本，则几乎可忽略不计。譬如，美国4代歼击机F22，一种机型开发费用就达数百亿美元，大部份开支就在这上面。三维打印技术，则使产品开发摆脱了样件模具这个过程，设计与制作样件，与制造成熟产品并无二致，不再需要天价的模具费用投入。样件制作时间，甚至可缩短为原来的数十分之一。

第三，3D打印技术可显著减轻飞机结构重量。减轻结构重量是飞机研制的基本技术需求，这直接关系到飞机的燃油经济性。长期以来，传统制造技术已经被发挥到接近极限，难以再有更大的作为。过去，对于大型复杂构件，制造商用传统工艺无法完成，就拆为几个件做，然后再进行组合。如今3D打印可以实现零部件一次成型，这不仅增加了零部件的完整性，同时也有助于减轻零部件的重量。此外，通过金属3D打印高性能增材制造技术，还可以在获得同样性能或更高性能的前提下，通过最优化设计来显著减轻金属结构件的重量。

第四，3D打印技术可显著节约昂贵的战略金属材料。由于对高性能有苛刻需求，航空器需要大量使用钛合金等昂贵的高性能、难加工金属材料。但是，很多零件的材料利用率却非常低，多数低于10%，有时甚至于仅为2%-5%。大量昂贵的金属材料变成了难以再利用的废屑，同时伴随着极大的机械加工量。作为一种高性能近净成型技术，金属3D打印高性能增材制造技术可以把高性能金属零件制造的材料利用率提高到60%-95%，甚至更高，同时机械加工量显著减少了。

三、3D打印技术的短板

3D打印作为一种神奇的技术，具有得天独厚的优势。但与此同时，也有许多缺点限制了它在航空领域中的普遍使用。

首先是技术门槛很高。

三维打印，特别是金属材料的3D打印近年来在技术取得了突破。但门槛很高。欧美发达国家的企业搞这项研究很多年，但仍只能做一些小零件，稍大点就出缺陷。保护气氛、温度控制、材料成分颗粒度和纯净程度、打印速度、激光功率及光斑尺寸调整等都有严格要求，相关参数的调节，非经培训的专业人员无法完成。以我国北京航空航天大学王华明教授组的3D打印设备为例，该机器的激光器，国内不能生产，要从美国进口；做军品时，很可能被美国人“卡脖子”。

二是成本很高。

仍以王华明教授的3D打印设备为例，该机器的成本，现在为2000万/套，一年可加工8吨产品。根据工业生产的特点，批量制造后，有可能可降到500万甚至200万/套。现在打印出来的产品价格为一万元/公斤，其中材料费不足一千元/公斤。毛利率90%多。可以这样分析：目前汽车发动机的成本为80-100元/公斤，汽车的成本为50-100元/公斤，普通工业（金属）制成品的价格，与之类似或更低。这个价格只有三维打印的1/100，因此，用三维打印替代传统工艺进行大批量生产，有些天方夜谭；也许只有为追求性能而不惜成本的军用航空产品才可以考虑至怎么做。

三是3D打印产品的质量问题。

和传统加工方式相比较，3D打印材料性的强度、刚度、机械加工性等仍不够成熟。由于采用层层叠加的增材制造工艺，层和层之间的粘结再紧密，通常也无法和传统工艺零件相媲美。这意味着在一定外力条件下，打印的部件更容易失效。现在，虽然出现了一些新的金属快速成型技术，也有个别报道认为3D打印产品强度性能上可接近同类锻造产品，但要真正作为飞机的主要结构受力构件，仍不足以令人放心。此外，由于3D打印分层制造存在台阶效应，每个层次虽然很薄，但在一定微观尺度下，仍会形成具有一定厚度的一级级“台阶”，如果需要制造的对象表面是圆弧形，那么就会造成精度上的偏差。表面工艺不够精细，通常需要二次加工，但对于表面不够精细的飞机细长体以及薄壁体金属构件来说，3D打印反而会给构件的二次加工带来更大的困难。还有，3D打印过程中，构件反复受热，应力非常复杂，大型件更容易变形，会导致精度降低。

总之，只有以上问题一一解决，3D打印技术才能在航空制造领域得到全面推广。