一文读懂航空制造为什么要用3D打印

来源：升华三维

▲航空航天零件的3D草图

多年来，航空航天一直被证明是全球3D打印增长最快的应用之一。多品种、小批量、结构复杂等是航空航天独有的产品特点，轻量化、低成本、快速研制的迫切需求与3D打印成型自由度高且快等特点高度契合。一些飞机制造商甚至可能利用简短的停机时间来改造他们的飞机，建立数字库存来维护老化的飞机，并使用先进的制造技术来制造下一代飞机。像我国的国产C919大飞机就是通过应用大量的3D打印技术实现的设计和试产。

▲国产C919大飞机

下面让我们来深入了解航空业为何使用3D打印，看看在飞机的生产中是如何利用这些共性优势的：
零件整合

在零件组装中最薄弱的点就是组装的地方。就飞机而言，这样的弱点可能会成为严重故障点，危及人类生命。
通过将零件的多个组件整合到单个3D打印构建中，装配点的数量必然会减少。3D打印可能实现的独特几何形状可以将通常有几十个或数百个零件的零件减少到几个——或一个零件。由于无需焊接、铆接或其他紧固件来将零件固定在一起，不仅减少了装配，而且还减少了潜在的故障点。

整合的部件越多，节省的成本就越大。如果某部分零件在组装后被固定，这可能是一个整合设计的机会。在增材制造中，复杂性通常是免费的，最成功的零件尽可能多地利用这一公理。零件整合好处主要包括以下几点：

减少装配：这包括减少劳动力，库存，夹具/工具以及专用于最终产品的制造占地面积。装配检查也减少了，极大地减少了装配错误的机会。

减少故障点：长期降低维护成本，并且可以减少更换部件的库存。如果需要，可以快速且经济高效地进行小批量更换。

降低运营成本：由于增材制造，通过设计自由度优化零件，提高了产品性能，实现了零件轻量化和更好的热性能等增强功能。

轻量化

对于用于飞行的设备来说，“克克是黄金”，每减重一公斤，就能节约几十万元的费用。重量更轻的部件意味着更少的燃料，不仅可以减少飞行的碳排放，还可以降低飞行成本。

▲轻量化结构设计

3D打印在传统制造材料的基础上不断创新，在相同结构件中，利用性能更优异的3D打印材料配方，创造出更轻的最终零件。结合零件整合、3D打印拓扑优化、晶格结构等轻量化结构，就特别有利于飞行器的轻量化设计，使它的功能密度更高。

提升设计自由度

许多从事增材制造工作者都喜欢宣称该技术提供了极大的“设计自由度”，因为首次可以实现其他制造工艺无法制造的复杂几何形状。

过去设计非常复杂的构件很难制造或者成本非常高，甚至根本无法制造。利用增材制造工艺，可以用相对简单的方式生产高度复杂的二维或三维金属部件，这是整体形成由实心和网格部分组成的结构部件的可行方式。

拓扑优化和生成式设计等设计方法，有效地助力了3D打印开发出以前从未想过的新形状。这些复杂的晶格设计不仅通过只在必要的地方加入材料来减轻重量，而且通常比传统设计更坚固。虽然某些限制仍然存在，并且可能因3D打印技术和使用的材料而异，但这些限制在许多方面都比传统的减材制造工艺中看到的要少得多。可以设计新的内部和外部飞机部件来替换陈旧的原始部件，更灵活设计技巧来增加极端功能。

快速原型迭代

最初使用3D打印的命名就是：快速原型制作。从草图创意到CAD设计再到第一个原型——然后是第二个、第三个等等——3D打印加快了新产品的上市时间。用传统工艺制造涡轮叶片，期间需要开模具，从设计到制造大约需要半年时间，而使用3D打印技术，可以在数天或数周内实现快速周转和迭代。

小批量生产

在航空航天产业中，如按生产总量计算，与汽车或电器制造相比，生产的飞机数量相对较少。

高价值、小批量生产非常适合3D打印。许多传统制造工艺需要制造昂贵的工具和模具，从而为大规模生产创造规模经济，而增材制造则不需要模具。一次可以制作一件或几件——包括在同一构建板上进行不同的设计——无需额外的成型或工具成本。

在传统技术更具成本效益之前，增材制造与传统制造的拐点通常需要制造成百上千个零件，虽然这可能最终将每个注塑成型零件的成本降低到几分，但在那个交叉点之前，3D打印会更划算。尤其是在使用高价值应用材料时，节省材料势在必行。

数字库存

当一架飞机接近其使用寿命的尽头时，通常可以通过更换某些部件来挽救它以使其继续飞行。常规方式是通过使用实体仓库来完成的，这些备件在需要时存放在货架上。在大多数情况下，这些备件是与原始批量生产的OEM零件同时制造的，并留待磨损零件的更换需求使用。但是，如果这种需求永远不会出现，那么它们不仅会浪费生产它们的时间和成本，还会浪费它们在货架上存放多年的时间。更糟糕的是，如果需求来了，但备件却缺货，尤其是那些永远停产的——缺少一小部分可能会使飞机停飞。

数字库存方法不是将商品物理地放在货架上，而是存储可以3D打印的设计文件。在可任何地方和时间，使用适当的3D打印技术制造那些需要替换的零件，并且同样不需要事先生产昂贵的模具或工具。而不是等待OEM延迟，从而减少了实体库存的压力，同时还能延长飞行寿命，而不至于因为某个小部件导致无法再飞行。

— 借助3D打印飞得更高、更远 —

飞机的生产，从原型到备件，越来越多地受益于供应链中3D打印的使用。分散生产、新的设计可能性以及时间、材料和成本的减少正在为飞机保持高飞提供新的途径。

增值制造工艺替代传统制造，能够节省模具成本，还能在多个方面实现降本增效。3D打印材料是3D打印技术发展的物质基础，金属、陶瓷、复合材料是3D打印领域的新兴赛道。据Wohlers Associates Inc发布行业统计显示，在3D打印下游应用行业，汽车工业、消费电子以及航空航天占比最大，金属、陶瓷、复合材料将成为3D打印材料的“引爆点”。

在“中国制造2025”规划背景下，3D打印成为我国推动智能制造的主线，航空航天是增材制造重要应用领域之一。目前，在国内外航空航天领域，高马赫数、高机动性飞行器层出不穷并成为下一代航空航天飞行器的主要发展趋势之一，它的设计需求对设计和制造工艺提出了更高的要求，其零部件大多数都具有尺寸大、异型复杂、结构多的特点，3D打印技术在大尺寸零件一体化制造、异型复杂结构件制造、批量定制结构件制造方面具有巨大的优势。

升华三维是目前国内为数不多能提供金属/陶瓷材料开发制备、金属/陶瓷3D打印机研发生产、切片软件开发到3D打印工艺、脱脂及烧结一整套金属/陶瓷间接3D打印工艺链供应商。目前已与航空航天应用领域多个科研机构、高校和企业合作，致力于提供高性能、轻量化、精细微结构的陶瓷/金属间接3D打印整体解决方案。