3D打印技術是在上世紀70年代末期開始出現，主要應用于產品研制階段的“快速原型”和生產階段的“快速制造”。3D打印技術與曾經應用于工業(yè)生產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和計算機3D模型數據，將兩維基材通過不同融合方式組合成三維結構。用在航空生產上的工藝方法主要有激光近凈成形技術(LENS)、激光選區(qū)熔化技術(SLM)及電子束選區(qū)熔化技術(EBSM)。
3D打印復雜框類結構毛坯的減重效果比較明顯，如F-22最大面積鍛造結構框的毛坯重量為2790千克，毛坯加工后的凈重量只有144千克，材料去除比例達到了95%！如果按照已經能夠驗證的工藝要求制造盤形復雜結構零件，鍛造工藝無法直接制成細節(jié)結構，材料利用率只有毛坯重量的約10%。鑄造則可以完成部分細節(jié)的粗略成型，毛坯實際利用率可達到總重量的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要求，成品零件可以達到毛坯總重的60%~70%，材料利用率和機加工效率都有很大提高。
相對的，鑄造成型模具的再利用效果比較好，成品芯型能進行批量毛坯的制造。鍛造的鍛壓模具成本雖然很高，工藝設備標準要求也高，但鍛造也有利于進行批次生產毛坯的成型。3D打印采用增材制造的工藝手段，無論只制造1個還是批制造100個，單件的生產時間和成本均沒有任何差異，零件的成型工藝要求和品質控制則更為嚴格。
3D打印與其它制坯方式的對比
現階段3D打印技術的航空應用主要集中在金屬結構，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打印航空零件的應用已比較廣泛。國外用于F-22的3D成型TC4接頭已經達到2倍設計疲勞壽命，F/A-18的翼根吊架結構強度達到設計要求的225%，疲勞壽命也達到4倍設計要求，C-17等型號的進氣道附件也都開始批量應用3D打印，部分3D打印件已能在現有機型制造中替代鈑金和精鑄件。
中國在航空3D打印方面取得了很大的成績，已有多個型號應用3D打印的承力結構，達到了縮短制造周期和簡化工藝的效果，對產品減重的作用也比較明顯，宣傳資料中甚至有過減重40%的說法。國內很多軍迷僅根據這個40%和類似說法，就對航空結構減重抱有很大希望，而這個40%雖然理論上存在可能，但要受到非常嚴格的條件和應用限制。
SLM制成品的尺寸精度較高，但成型體結構密度控制效果不好，難以承受高載荷的結構效應，承力結構的3D打印主要采用的是LENS。按照已經公開的3D打印整體框架坯材外形對比，3D打印件毛坯重量大致只有鍛造的15%，這是3D打印的技術優(yōu)勢，但坯材減重比并不代表最終制成品的重量對比。飛機的整體結構框架的設計要考慮到輕巧、堅固，以及工藝和成品機械/理化性能的一致性，結構設計必須嚴格滿足標準化的要求，不同機型類似結構的設計并沒有大的差異。
展覽上公開的3D打印承力框架制成品，結構設計與鍛造框架并沒有任何差別，區(qū)別僅體現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，無論是采用激光還是電子束作為能量源，無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因為加工方式不同而變化。按現有技術，近凈成型燒結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密度相對較小，與鍛造件的密度差別也在3%以內，工藝實現條件越好材料密度差異就越小。
無論采用什么樣的3D成型方式，同樣零件的材料性能如果沒有大的差別，零件的制成品重量就不會存在明顯的差別。所以說，3D打印坯材加工方式取得的減重效應非常有限，考慮到目前3D打印的材料性能還不夠完善，相比成熟的鍛造結構容限保險設計更多，同樣設計結構件的凈重甚至還要重些。
按照已公開的數據看，3D打印鈦合金零件的成品件，抗拉強度和硬度已達到鍛件的標準，但疲勞壽命和裂紋容限受工藝影響較大，未來相當時間里還缺乏全面替代鍛造的條件。美國飛機制造中大量應用整體鍛造框架，對高風險的3D打印的應用不夠積極，就是考慮到了制成品壽命和質量控制困難的因素。中國在新機制造上應用3D打印承力結構的同時，還投入很大資金和技術力量開發(fā)大型鍛壓機，也是因3D打印無法解決大型制造成品的批生產要求。3D打印與鍛/鑄造各有優(yōu)勢，只要航空設計和生產體系還基于傳統(tǒng)工業(yè)技術，鍛/鑄和軋壓仍將是主要工藝成型手段，3D打印的結構減重效應就很難得到體現。
基于制造技術突破的減重措施
按照減重標準對比，3D打印的密度與鍛造的差異不到1%，而要實現避免缺陷和改善材料性能的目標，密度差異其實是越小越好。按照實際生產條件去對比，某簡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，僅比整體機械加工的尺寸誤差換算值略大。所以說，從成品重量這個最終指標去對比，3D打印減重效果幾乎可以忽略不計。
那么宣傳資料中減重40%的說法是怎么來的？這要從飛機結構工藝去說明?，F代航空制造的金屬成品結構越復雜加工難度就越高，很多組合曲面結構還必須依靠數控設備加工。第三代之后的先進戰(zhàn)斗機采用翼身融合氣動設計，很大程度上改善了飛機的結構強度和設計性能。這種設計其實在上世紀30年代就已經存在，但在噴氣戰(zhàn)斗機應用前期沒使用。融合體結構框架存在大量連續(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，很難依靠普通機加工設備成批制造。數控設備在上世紀70年代大量應用后，三軸數控機床成為曲面加工的手段，飛機也就開始更多利用結構曲面改善氣動設計。
連續(xù)曲面變角度結構勢必會產生半封閉空間。設計師在設計機體結構時必須考慮到可加工因素，半封閉或封閉復雜結構難以整體成型加工，必須分解成多個獨立的可加工零件，采用組合件的方式滿足結構外形與工藝的要求。組合件的問題是每個零件都必須滿足獨立強度要求，結構件和桁條等結構也要保證獨立承力的厚度。采用鉚接和螺接組合零件時，標準件緊固位置的孔強度還必須高于零件強度。如果要用螺栓固定某根壁厚2毫米的L型型材，每個螺栓孔位置的厚度要超過平均厚度，如果采用鉚釘則需要平均分布多個鉚釘孔。
組合件組合要求增加了零件的結構重量，組合用標準件也增加了整體重量，對于某些小型的復雜輕金屬結構，組合用標準件的重量甚至比零件本身的重量還要高。如果能夠通過工藝手段直接成型組合件，一體化結構將實現明顯的減重效果。
如兩個組合件的對合壁板厚度均為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。美國在F-16戰(zhàn)斗機改進設計中，曾經在前機身結構改進中應用精密鑄造件，用整體鋁合金鑄件替代鉚接組合件，使替代總重量超過11千克的組合件的精鑄件重量降低到4.7千克。利用復合材料替代金屬材料時，雖然復合材料壁板的單體結構重量比鋁合金高，但用桁條膠接為整體結構的復合材料壁板，卻能夠取消組合件的獨立桁條和固定鉚釘，總重量反而比組合金屬結構降低了接近30%。
3D打印直接體現的減重優(yōu)勢主要就是打印出復雜的封閉/半封閉零件，直接取代由多個零件組成的組合件，零件重量可以大幅度降低，固定零件的鉚釘和螺栓的數量也可以減少，這才是3D打印減重最直接的應用方式。
飛機結構一體化減重是效果最明顯的措施。航空系統(tǒng)很早就在爭取實現結構件一體化，尤其是復合材料應用到航空結構件后，曲面加筋壁板這種整體結構相比金屬組合件，已經表現出很突出的減重和降低零件數量的優(yōu)勢。復合材料工藝水平發(fā)展很快，現在已經出現全復合材料的飛機，但復合材料不僅存在成本高和工藝難度大的問題，大部件制造還存在維護和維修難度高的使用困難，限制了復合材料在飛機結構大部件方面的應用范圍。現代復合材料還無法取代結構件的金屬材料，3D打印則通過高度靈活的成型手段，有利于實現金屬和多種金屬/非金屬組合結構的一體化，與復合材料共同組成航空輕重量結構。
3D打印不僅在結構制造上可以發(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。機載成品安裝支架或運動裝置的支撐結構復雜，又不是承力結構，很適合采用3D打印方式制造。如果把現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，將有利于提高結構一致性和裝卸更新的方便性。
飛機的各種液體和氣體導管種類很多，分布廣泛，管道走向還要避開結構件和成品，沒有辦法在飛機內部設置長距離的直管。機載液、氣管線存在很多彎曲度大的轉角，為保證管道彎曲時的機械性能，必須在大的轉角位置采用轉向接頭，消除因為小半徑彎管產生的應力集中，這就使管線敷設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，3D打印出整體彎管替代傳統(tǒng)的機械彎管、擴口和接頭固定，將在保證管道彎曲尺寸要求的同時，降低管線的零件數量，提高機械性能。取消接頭還能減少滲漏檢查和維護的接口數量，一體成形的光滑內壁還可以優(yōu)化管道內部液體和氣體流動效果。
3D打印對復合材料的支持
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合材料的制造。
現代航空復合材料主要采用絲材鋪、繞和樹脂固化。復合材料絲材采用鋪帶方式疊層制造成型，使復合材料大都呈現平均厚度的平面結構，組合件則采用粘接或標準件固定的方式。如果將3D打印技術應用于復合材料制造，將絲材的鋪疊和樹脂填充由平面向立體發(fā)展，能夠使復合材料復雜結構件一體成型，省去零件粘接和共固化的后續(xù)工藝過程，降低復合材料整體部件的制造周期，并避免組合加工過程控制中可能出現的工藝缺陷。3D打印可以制造出立體網格形的復雜結構，每個網格的空間尺寸可以達到高度一致，雖然網格結構并不適合獨立作為航空部件，但卻可以成為航空復合結構件的基材。
網格結構基材與復合材料纖維組合，利用樹脂固化/燒結金屬/陶瓷與復合材料，能較好兼顧強度、曲面外形和安裝組合的要求。高性能航空發(fā)動機全復合材料葉片與金屬葉盤組合時，不同的材料機械、熱性能對工藝要求很高，設計和施工難度也很大。如果用3D打印技術將金屬基材料與復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)動機葉盤的組裝難度，也有利于在發(fā)動機改進中直接替代全金屬葉片，為發(fā)動機整體減重提供非常大的改進空間。
3D打印的應用限制
3D打印能夠有效提高航空產品的工藝和制造水平，通過結構減重改善航空器性能的潛力也很大，但實際應用所面對的技術局限也非常明顯，直接限制了3D打印在航空制造領域的應用范圍。3D打印的一體化制造能夠取得減重效應，那把飛機的大部件都用3D打出來不行嗎？飛機大部件全3D打印的技術難度并不算大，目前國外已實現長度超過5米，直徑1.2米矩形框的3D整體成型，將飛機前機身的框架一體化制造，在加工工藝方面是沒有問題的。理論上只要結構材料相同，大部件整體打印并沒有什么難度，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。問題是現在的飛機結構并不僅是要滿足尺寸要求，而是要滿足飛機使用和維護的各方面需要。
現代作戰(zhàn)飛機的機載設備分布全機，飛行控制、燃料和電源系統(tǒng)的導管與線纜同樣分布廣泛。遍布全機的設備和管線需要頻繁維護，這就要求飛機表面必須開有對應的檢查口蓋，先進戰(zhàn)斗機的表面開口率甚至可以超過60%。設備檢查開口需要內部結構避讓，機體結構還要留出故障件更換所需的操作空間。如果機體結構的大部件實現一體化，內部成品設備和導管等無法分解的部件，將很難利用外場維護條件實現無損更新。
如果把內部設備分解化裝配，成品與導管增加的接頭和組合件，又會在很大程度上消耗掉結構整體化的收益，增加外場維修和檢查難度將惡化飛機的完好率，也不利于軍用飛機隨使用過程進行改裝完善?，F代軍用飛機的改進很頻繁，如美國海軍已退役的F-14艦載戰(zhàn)斗機，各種設備和結構隨飛機生產過程調整，最終幾乎不存在兩架結構和成品完全一致的飛機。如果實現3D打印大部件直接替代組合件，現在的很多改進措施事實上將無法應用，或在改進中必須對結構進行大范圍更換，時間與資金的消耗直接限制了飛機改造的效費比。
事實上，越是功能和設備簡單的飛機越容易實現一體化，越是設備和功能要求復雜的飛機，對結構可拓展性和包容性的要求就越高，采用大規(guī)格一體化結構的難度和全壽命成本就越大。維護難度是限制大規(guī)格一體化結構的難點，飛機本身的使用特點更影響到整體結構的應用范圍。現代噴氣戰(zhàn)斗機的飛行速度可達到M1.5，地面停放時的低溫可達到-50℃，飛行時也存在結冰等低溫環(huán)境的影響，但駐點溫度在高速飛行時甚至要超過百度，M2以上速度的駐點溫度甚至可以達到200℃，機體外表和結構還要承受高速飛行的速壓。
同時，飛機內部設備艙和管線需要進行溫度和壓力控制，發(fā)動機段存在高溫區(qū)，均使機體結構和蒙皮要反復承受高/低溫和壓力變換的影響。金屬材料在飛機使用過程中，不同材料和結構存在不同的膨脹系數，不同使用環(huán)境將對結構產生多種狀態(tài)的應力。整體固定結構勢必集中承受這些應力作用，大規(guī)格整體結構很難平衡各種因素的影響，很容易因為應力集中和傳導產生破損和裂紋，結構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題，但組合件本身就是個分解應力的分散結構，更容易承受飛機使用的惡劣環(huán)境要求，出現結構變形和裂紋時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優(yōu)勢。
3D打印大部件的應用前景
3D打印可以支持航空設計師實現夢寐以求的組合件最大化，以及最小化裝配量的高經濟性目標。通過3D打印技術制造整體零件，有條件把維護和結構允許的部分一體化，大幅度減少因為零件數量和裝配工藝所產生的重量，使飛機設計和裝配的難度明顯得到降低。
國內外現階段3D打印的應用范圍還不大，主要集中在復雜零件的快速原型和小批制造，但以鑄造件對航空裝備減重的效果作為依據，只要突破了設計和應用方面的幾個關鍵點，3D打印一體化應用的發(fā)展將是必然的趨勢。
隨著3D打印技術應用成熟度的提高，也將出現相應的工藝和制造規(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量/壽命控制的難關，將會首先在大型民用和軍用特種飛機(普遍采用民用飛機作為平臺)制造中得到應用。民用大飛機的優(yōu)點是結構尺寸大，機體開口比例低，飛機交付后一般不會進行大的結構改動，適合3D打印一體化大部件的應用。按照空客公司的設想，未來的民用飛機可以利用3D打印的方式，采用“鳥巢”式網格結構整體成型機體，用透明件填充框架，讓民用客機擁有“花房”式全景布局的機體，最大化發(fā)揮3D打印所帶來的性能和使用優(yōu)勢。
國外已經制造出全3D打印的無人機的機體和發(fā)動機，實現用3D打印生產小型化、低維護要求航空產品的目標。按照國外航空企業(yè)的遠景規(guī)劃，到2050年就有實現飛機整體結構3D打印成型的可能，屆時將會出現由3D打印大部件組成的實用型民用中、大型航空器。
3D打印實際應用的成本和成熟性
3D打印可降低毛坯件重量和減少機加工時間，能提高生產速度和降低成本，但這只是比較零件的后期加工費用，而沒有考慮到全生產周期的綜合成本。3D打印需要精細度很高的粉材作為基材。高精細度和高純度的粉材，制造工藝和單位重量成本遠高于金屬坯材基料。普通的民用塑料件每千克成本不過幾十元，可用于3D打印的同材料粉材每千克成本上百元，進口高品質粉材的成本可達幾百元，航空用金屬材料的坯、粉材料成本差異也大體相似。
事實上，3D打印的基材本身就要對原坯進行專門的加工，使冶煉坯料成為可用于燒結的高純度粉材，而宣傳3D打印時卻很少考慮這方面的生產周期和成本。嚴格說起來，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燒結方式3D成型后加工，綜合成本必須統(tǒng)計整個生產周期的成本，而不是僅去對比毛坯件成型和機加工周期成本。
3D打印航空零件雖然已經實際應用了十幾年，但作為關鍵件使用的歷史并不長，沒有哪個型號真正完成了全壽命實際使用的驗證。3D打印零件的試驗數據確實比較理想，但與經過上百年傳承的常規(guī)工藝相比，3D打印存在有很多還不夠清晰的應用問題，需要經過長時間使用才能夠積累足夠的數據。3D打印減重最直接的措施就是實現結構一體化，而沒有得到完整的設計體系支持的一體化，僅能在生產制造階段發(fā)揮直接作用，在周期最長的使用階段的經濟效益卻缺乏驗證，而且存在比常規(guī)工藝更大的質量控制風險。3D打印零件需要長時間使用才能積累應用數據，目前設計師和使用者都不敢放開3D打印的應用范圍。
3D打印能適應復雜的結構設計，工藝實現難度比鑄/鍛要低。但是，3D打印單件與批量的生產消耗沒有差異，相比之下，鍛/鑄生產制造出模具就可以重復制造，批生產消耗明顯低于首件。因此，達到批生產效益平衡點的可以利用3D制造，否則還是應采用常規(guī)方式?，F代軍機的正常生產周期在1年左右，飛機壽命卻能達到30年，結構壽命也有近萬飛行小時，這個期間所面對的問題遠比生產周期更多，也更復雜。
3D打印用于設計驗證與原型機的快速制造時，短周期和低成本的優(yōu)勢明顯，如果把3D打印零件廣泛用于批生產型號，帶來的縮短生產周期和降低成本的收益是否能平衡全壽命周期內的風險還是問號。3D打印是足以影響航空設計和制造的前沿技術，但這種技術真正融合到航空工藝體系中，所需要的時間和應用研究還遠非現在的規(guī)模所能企及。
