浅析3D打印在航空航天领域4大发展优势，我国存在这4种差距！

来源：材料委

为第三次工业革命制造领域的典型代表技术，3D打印的发展时刻受到各界的广泛关注。而金属高性能增材制造技术(金属3D打印技术)被行内专家视为3D打印领域高难度、高标准的发展分支，在工业制造中有着举足轻重的地位。现如今，世界各国工业制造企业都在大力研发金属增材制造技术，尤其是航空航天制造企业，更是不惜耗费大量财力、物力加大研发力度，以确保自己的技术领先优势。

3D打印在航空航天领域的发展优势
1. 缩短新型航空航天装备的研发周期
航空航天技术是国防实力的象征，各国之间竞争异常激烈。因此各国都试图以更快的速度研发出更新的武器，确保在国防领域处于不败之地。而金属3D打印技术让高性能金属零部件的制造流程大幅缩短，无需研发零件制造过程中使用的模具，极大地缩短产品研发制造周期。


2. 提高材料利用率、降低成本
航空航天制造领域多采用价格昂贵且较难加工的战略材料，如钛合金、镍基高温合金等金属材料。传统制造方法材料使用率低、机械加工程序复杂、生产周期长、成本高。3D打印技术可将材料的使用率普遍提升到60%，甚至高达90%以上，从而降低制造成本、节约原材料。

3. 优化零件结构、增加使用寿命
对于航空航天、武器装备而言，减轻重量是永恒不变的主题。波音737约重65公吨，若减重1磅（约0.45千克），每年则能为航空公司节省几十万美元。据GE航空白皮书所述，将此数字延伸到全球所有航空器和其节省的资金，将超过一千万美元。

传统制造方法已经将零件减重发挥到了极致，但3D打印技术的应用可以优化复杂零部件的结构，在保证性能的前提下，将复杂结构变换成简单结构，从而起到减轻重量的效果。3D打印技术通过优化零件结构，使零件的应力呈现出最合理化的分布，减少疲劳裂纹产生的危险，从而增加使用寿命。


4. 修复零件、减少损失
目前，金属3D打印技术在修复成型方面所表现出的潜力高于生产制造方面。以高性能整体涡轮叶盘零件为例，当某一叶片受损，整个涡轮叶盘将报废，直接经济损失高达百万元。而使用3D打印技术在受损部位进行激光立体成型，就可以恢复零件形状，且性能满足使用要求，甚至是高于基材的使用性能。

我国发展差距浅析
目前我国从政府、科研、企业层面都对3D打印应用于航空航天领域给予高度重视，也取得了部分成就。但与国外发达国家相比，目前国内行业发展主要存在以下几方面的问题：

1. 技术差距
技术上的差距如复杂薄壁精密零件结构-性能一体化制造技术，航空航天发动机叶片、涡轮等复杂精密零件的成形技术等，一定程度上制约了航空航天装备技术水平的提高。

目前国内的3D打印企业普遍缺乏核心技术、生产效率低、材料种类缺失，因此很难实现产业化。我国3D打印在军工应用的领域发展最为先进，如部分复杂合金零部件成形等，但产业化进程缓慢。

2. 材料差距
材料上的差距主要体现在国内材料种类不全、质量良莠不齐。3D打印金属粉末质量与国外存在一定差距，高分子材料（PEEK和PAEK等）和陶瓷材料种类缺失、体系不全。目前国内多数的厂家可以生产几十微米到几百微米的金属颗粒，但这种颗粒国内生产的品质与国外仍有较大差距。

在“中国制造2025”战略规划中，前沿材料中就包含3D打印材料，研究方向主要集中在金属球形粉末成形与制备技术；突破高转速旋转电极制粉、气雾化制粉装备；开发空心粉率低、颗粒形状规则、粒度均匀、杂质含量低的高品质钛合金、高温合金、铝合金等金属粉末；研究氧化铝、氧化锆、碳化硅等陶瓷粉末、片材制备方法；建立生物3D打印体系；开发“3D打印友好型”生物墨水。


3. 设备差距
目前国外的3D打印设备无论是桌面级还是工业级的价格相对都比较高；国内的一些设备虽然价格较低但质量难以保证。同时设备的精度以及生产效率等方面还需要进一步的优化，这也是阻碍产业化的主要问题。

我国虽已有一些企业能自主制造3D打印设备，但企业规模普遍较小，研发力量不足。在加工流程稳定性、工件支撑材料生成和处理、部分特种材料的制备技术等环节，存在较大缺陷，难以完全满足产品制造的需求。

而占据3D打印产业主导地位的美国3Dsystems、Stratasys等公司，每年都投入千万级美元研发新技术，研发投入占销售收入的10％左右。两家公司不仅研发设备、材料和软件，还通过签约开发、直接购买等方式获得大量来自企业外部的相关细分技术、专利，掌握大量关键核心技术。

此外，3D打印的核心是数字化驱动。目前，我国3D打印的数字化程度还不高，软件高度依赖国外。未来发展中，应重视3D打印流程中相关的软件设计、数控能力等软实力。

图片来源：深蓝航天

4. 宏观差距
3D打印产业上游包括材料技术、控制技术、光机电技术、软件技术，中游是立足于信息技术的数字化平台的3D打印解决方案，下游涉及国防科工、航空航天等行业，其发展将深刻影响先进制造业、工业设计业、生产性服务业、文化创意业、电子商务业及制造业信息化工程。

由于3D打印行业技术门槛较高，上中下游所用核心技术涉及材料学、计算机学、机械设计等多学科多领域，属于技术综合性较强的领域，需要我国科研、企业等多方协力配合提升我国3D打印综合实力。同时，在我国制造业转型升级中，3D打印逐步代替了很多传统工艺，发挥的作用逐步增大，其造成的差距也会在下游终端应用产品的性能和价格方面被放大。