淺析3D打印技術(shù)在航空制造中的應(yīng)用

2024年3月28日發(fā)(作者：有關(guān)自信的作文)

工 業(yè) 技 術(shù)

2020 NO.12（上）

中國新技術(shù)新產(chǎn)品

淺析3D打印技術(shù)在航空制造中的應(yīng)用

王大成 朱云陽

（江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212134）

摘 要：在航空制造領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用了3D打印技術(shù)。由于其具有成形速度快、材料實(shí)際利用率較高等優(yōu)勢，

因此在航空領(lǐng)域中受到關(guān)注，也成為近些年的研究熱點(diǎn)。該文說明了3D打印技術(shù)的基本技術(shù)手段，同時(shí)分析

了當(dāng)前該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；航空制造；材料的利用率

中圖分類號(hào)：TP 391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

０　引言

3D打印技術(shù)的飛速發(fā)展，使各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域的生產(chǎn)效率

有了明顯的提升，同時(shí)為生產(chǎn)效益的增加提供了可靠的技

術(shù)支持，對(duì)于經(jīng)濟(jì)社會(huì)的穩(wěn)步發(fā)展具有積極的作用。在不

同的方面進(jìn)行應(yīng)用，3D打印技術(shù)能夠更好地實(shí)現(xiàn)發(fā)展的目

標(biāo)，為國家各領(lǐng)域的技術(shù)水平提供有效的支持和保障

[1]

。應(yīng)

該在具體的實(shí)踐中，正確地看待3D打印技術(shù)，明確其在航

空制造領(lǐng)域做出的貢獻(xiàn)，并且結(jié)合現(xiàn)代航空制造業(yè)的發(fā)展

要求，奠定相應(yīng)的基礎(chǔ)，為該技術(shù)的長遠(yuǎn)發(fā)展清除障礙。

影響到實(shí)際的應(yīng)用成效，因此需要結(jié)合技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行合

理的分析，對(duì)具體成果進(jìn)行明確。3D打印技術(shù)能夠?qū)?fù)雜

的零件加工制造出來，通過先進(jìn)的技術(shù)手段，擺脫了必須

使用模具的限制，及時(shí)地將計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)圖紙合理地轉(zhuǎn)化為

實(shí)體零件。與傳統(tǒng)的制造工藝相比，該項(xiàng)技術(shù)同時(shí)具有先

進(jìn)性和科學(xué)性的特點(diǎn)，可以確保復(fù)雜零部件的制造流程合

理地縮短，并且使產(chǎn)品實(shí)際的研發(fā)制造周期得到有效的控

制

[3]

。

２．２　高效節(jié)省

3D打印技術(shù)在實(shí)際運(yùn)用的時(shí)候，材料的利用率得到了

明顯的提升，在打印成型的階段，可以保證材料更充分地

使用。打印之后的產(chǎn)品，僅需要經(jīng)過簡單的處理就可以投

入使用，使用率十分理想，保證利用率高達(dá)60%以上，甚

至可以達(dá)到90%以上。然而對(duì)于傳統(tǒng)的制造方法來說，材

料的實(shí)際使用率較低，特別是航空制造階段相對(duì)復(fù)雜的零

部件加工，通常不會(huì)高于10%，甚至只能達(dá)到2%~5%，使

制造成本明顯提升。

１　３Ｄ打印技術(shù)

3D打印技術(shù)是快速成型技術(shù)中的關(guān)鍵組成部分，也被

稱為增材制造，是一種將先進(jìn)技術(shù)融為一體的加工手段。該

項(xiàng)技術(shù)涉及的主流成型技術(shù)包括光固化法、熔融沉積法等。

3D打印技術(shù)思想源于19世紀(jì)末層疊成型理論，經(jīng)過了不

斷的發(fā)展和推廣，在20世紀(jì)80年代伴隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和

激光技術(shù)等受到了廣泛的關(guān)注。該技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的制造

工藝來說，表現(xiàn)出十分明顯的優(yōu)勢，通過制造出復(fù)雜形態(tài)

的產(chǎn)品，使得資源浪費(fèi)的問題得到有效的規(guī)避。3D打印技

術(shù)還能將設(shè)計(jì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，對(duì)設(shè)計(jì)的正確性和造型的

合理程度等加以檢驗(yàn)，降低產(chǎn)品開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)度。當(dāng)前，3D

打印技術(shù)作為快速成形技術(shù)的優(yōu)選，在各個(gè)領(lǐng)域得以普及

并推廣，人們開始關(guān)注到這一技術(shù)的發(fā)展?jié)摿蛯?shí)際的應(yīng)

用空間。該項(xiàng)技術(shù)一般包括固化成形技術(shù)、疊層實(shí)體制造

技術(shù)等。在航空制造領(lǐng)域，高性能金屬構(gòu)件激光成形技術(shù)

成了最前沿的代表。該技術(shù)在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，重點(diǎn)是將合金

粉末視為主要原料，借助于激光熔化逐層堆積的方式，在

零件數(shù)模一步完成高性能、復(fù)雜化的構(gòu)件成形目標(biāo)。在

國內(nèi)，航空制造領(lǐng)域?qū)?D打印技術(shù)的運(yùn)用已經(jīng)位于世界前

列，很多型號(hào)的飛機(jī)均使用了3D打印部件，相關(guān)的技術(shù)現(xiàn)

已處于世界領(lǐng)先的水平。

[2]

２．３　高度優(yōu)化

對(duì)于航空制造領(lǐng)域來說，科學(xué)地使用3D打印技術(shù)，能

夠在保證其性能的前提下，將零部件的結(jié)構(gòu)合理地優(yōu)化，

適當(dāng)?shù)販p輕零部件質(zhì)量。相較于傳統(tǒng)的拼接構(gòu)件，該技術(shù)

的運(yùn)用能夠?qū)崿F(xiàn)部件整體制造，不需要涉及焊接以及鉚接

等多種組裝工藝就可以對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，有效地減少

部件的質(zhì)量。經(jīng)過對(duì)結(jié)構(gòu)零部件的優(yōu)化處理，使零部件的

應(yīng)力分布相對(duì)合理，并且使疲勞裂紋出現(xiàn)的危險(xiǎn)性得到有

效降低，提高了零部件實(shí)際的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，增加了使用壽命，

同時(shí)保證其完整性和可靠性

[4]

。

３　３Ｄ打印技術(shù)在航空制造中的技術(shù)手段

3D打印技術(shù)重點(diǎn)是在選定了坐標(biāo)軸的方向后，需要將

需要打印產(chǎn)品的三維空間模型合理地劃分出不同的剖面，

在特定的時(shí)間段內(nèi)，將剖面及時(shí)打印出來，通過應(yīng)用產(chǎn)品

三維模型，可以合理地設(shè)定打印尺寸，由此得到相對(duì)理想

的、等比例的產(chǎn)品實(shí)體模型。

２　３Ｄ打印技術(shù)的基本特點(diǎn)

3D打印技術(shù)具有自身的特點(diǎn)，在實(shí)際運(yùn)用的過程中應(yīng)

該結(jié)合其基本的特征進(jìn)行分析，體現(xiàn)了3D打印技術(shù)的實(shí)際

優(yōu)勢，使其更好地發(fā)揮應(yīng)用價(jià)值。

３．１　光固化立體成形技術(shù)

該項(xiàng)技術(shù)誕生的時(shí)間較早，在實(shí)際運(yùn)用的時(shí)候，更傾

向于使用液態(tài)光敏樹脂的材料，結(jié)合工作臺(tái)的支撐效果，完

成激光束的合理照射，確保產(chǎn)品能夠及時(shí)地固化，由此獲

２．１　快速制造

在航空領(lǐng)域運(yùn)用到的相關(guān)技術(shù)手段，應(yīng)該體現(xiàn)出便捷

性和快速性等多種效果，如果無法達(dá)到理想的要求，將會(huì)

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取更為理想的產(chǎn)品

[5]

。

３．２　分層實(shí)體制造技術(shù)

在具體使用的時(shí)候，一般會(huì)采用性能相對(duì)可靠的材料，

將預(yù)先準(zhǔn)備好的熱熔膠箔材運(yùn)送至工作臺(tái)上，借助于先進(jìn)的

計(jì)算機(jī)技術(shù)，及時(shí)獲取產(chǎn)品的剖面，通過激光切割系統(tǒng)照射

的CO

2

激光束，確定箔材實(shí)際的尺寸輪廓，完成相對(duì)合理的

切割，對(duì)切割過程中可能出現(xiàn)的多余碎片加以處理，最終獲

得更為理想的、符合實(shí)際需要的產(chǎn)品。

３．３　選擇性激光燒結(jié)工藝

該項(xiàng)技術(shù)在具體運(yùn)用的時(shí)候，應(yīng)該結(jié)合使用的對(duì)象進(jìn)行

詳細(xì)的分析。在實(shí)際使用的時(shí)候，一般使用CO

2

激光器，通

過對(duì)粉末材料進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)選擇性的燒結(jié)，確保不同的離

散點(diǎn)更加明確且合理。將這類離散點(diǎn)按照科學(xué)的方式進(jìn)行堆

積，最終得到三維實(shí)體模型，這樣就可以打造出理想化的產(chǎn)

品。該技術(shù)屬于高效的打印成形技術(shù)

[6]

。

３．４　３Ｄ打印技術(shù)在航空制造中的應(yīng)用實(shí)踐

3D打印技術(shù)在航空領(lǐng)域中的優(yōu)勢十分顯著，但是在實(shí)

際的生產(chǎn)中還存在諸多的問題。3D打印產(chǎn)品的質(zhì)量還有待

提升，應(yīng)該更好地滿足當(dāng)前批量生產(chǎn)的實(shí)際需要；另外，3D

打印金屬單位的時(shí)間較長，在打印的重量上也存在明顯的限

制，需要更好地適應(yīng)高效率制造標(biāo)準(zhǔn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和新

型材料的穩(wěn)步發(fā)展，上述提到的相關(guān)問題可以得到逐步解

決，同時(shí)也應(yīng)該制定出更為理想的發(fā)展規(guī)劃。3D打印在航空

領(lǐng)域中的應(yīng)用及發(fā)展備受關(guān)注，前景十分廣闊。

３．４．１　飛機(jī)機(jī)翼的制造方面

很多的現(xiàn)役飛機(jī)機(jī)翼大多是通過構(gòu)件鉚接以及焊接等

方式完成有效的拼接，在重量以及強(qiáng)度等多個(gè)技術(shù)指標(biāo)上有

待得到更好的提升。整體式機(jī)翼能夠及時(shí)突破傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)機(jī)翼

的限制。波音及空客這類大型的航空制造企業(yè)對(duì)3D打印技

術(shù)給予了高度的重視，提供了大量的資金支持，使其合理應(yīng)

用在整體式機(jī)翼制造中，取得了相對(duì)顯著的進(jìn)展。在未來的

發(fā)展中，3D打印技術(shù)將會(huì)在機(jī)翼制造中彰顯更為突出的利用

價(jià)值。

３．４．２　航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件制造方面

根據(jù)相關(guān)的報(bào)道和研究，通用電氣以及羅羅公司都對(duì)選

區(qū)激光熔化和電子束選區(qū)熔化技術(shù)等給予了高度的關(guān)注，通

過一系列的測試以及驗(yàn)證過程，證明了相關(guān)技術(shù)打印的零部

件具有實(shí)用性。通用電氣公司將相關(guān)技術(shù)合理地應(yīng)用至下一

代Leap航空引擎噴油嘴的批量制造領(lǐng)域，使得相關(guān)技術(shù)的具

體應(yīng)用優(yōu)勢體現(xiàn)出來。關(guān)于其他的零部件，國內(nèi)外對(duì)運(yùn)用各

種技術(shù)制造的3D打印零件進(jìn)行有效的測試和分析，目的是

對(duì)其實(shí)際的應(yīng)用成效進(jìn)行科學(xué)的總結(jié)和判斷

[7]

。

３．４．３　無人飛機(jī)制造方面

現(xiàn)階段，無人飛機(jī)已經(jīng)備受關(guān)注，正在逐步地向小型化

和輕型化的方向轉(zhuǎn)變，因而需要在實(shí)際制造的過程中，重點(diǎn)

分析大荷載以及個(gè)性化的定制標(biāo)準(zhǔn)。無人機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)該逐步向

低重量、高復(fù)雜化的方向前進(jìn)，但是由于受到傳統(tǒng)制造工藝

的限制，這一要求始終無法滿足，更難以滿足未來無人機(jī)市

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工 業(yè) 技 術(shù)

場的發(fā)展需要，因此需要將關(guān)注的重心放在3D打印技術(shù)上。

當(dāng)前，3D打印技術(shù)已經(jīng)成為無人機(jī)制造領(lǐng)域中的重要推動(dòng)

力。在2011年首架打印無人機(jī)“SULSA”誕生之后，3D打

印技術(shù)就備受矚目，在無人機(jī)制造領(lǐng)域彰顯了自身的價(jià)值，

成了萬眾關(guān)注的焦點(diǎn)。相信在未來的發(fā)展規(guī)劃中，3D打印技

術(shù)還將在無人機(jī)制造領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。

３．４．４　航空部件修復(fù)再造方面

3D打印技術(shù)在航空零部件的修復(fù)再造領(lǐng)域中頗受關(guān)注，

國內(nèi)外已經(jīng)針對(duì)該技術(shù)的成功應(yīng)用案例進(jìn)行了報(bào)道。由于燃

氣渦輪航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體渦輪盤修復(fù)成功的案例受到了廣泛

關(guān)注，因此在航空領(lǐng)域中，一旦涉及部件修復(fù)再造的問題，

均會(huì)優(yōu)先想到3D打印技術(shù)。渦輪盤上的某處一旦受損，將會(huì)

影響到整個(gè)盤，使其處于報(bào)廢的狀態(tài)，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失

大，甚至能夠達(dá)到上百萬。然而基于3D打印技術(shù)獨(dú)特的優(yōu)

勢，通過合理地運(yùn)用該項(xiàng)手段，可以使激光成形技術(shù)的優(yōu)勢

之處顯現(xiàn)出來，并確保部件能夠及時(shí)地恢復(fù)至原有的狀態(tài)，

性能符合基本的使用要求和具體標(biāo)準(zhǔn)，甚至明顯高于要求的

使用性能。正是由于該技術(shù)的此種優(yōu)勢，提高了航空零部件

的壽命，對(duì)維修成本的控制也起到了一定的作用。

４　３Ｄ打印技術(shù)在航空制造中的應(yīng)用建議

3D打印技術(shù)在航空制造中彰顯了實(shí)際的利用價(jià)值，但是

也存在一些弊端和問題，需要正視其不足之處，按照具體的

應(yīng)用原則，展開合理的判斷，由此提出以下建議。

４．１　合理應(yīng)用“產(chǎn)研結(jié)合”的方案

在3D打印技術(shù)充分彰顯出自身的應(yīng)用優(yōu)勢時(shí)，還需要

注重合理化的推廣方案，確保該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值充分地體

現(xiàn)出來，將相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈不斷延伸。借助于產(chǎn)研結(jié)合的方式，

使得3D打印技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域明顯拓寬，將相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)鏈適當(dāng)

地延伸并優(yōu)化，促使產(chǎn)業(yè)化的程度得以提高。通過將3D打

印的“增材”及傳統(tǒng)工藝的“減材”相互結(jié)合，構(gòu)建出相對(duì)

合理的復(fù)合制造體系，更好地滿足航空制造領(lǐng)域的實(shí)際發(fā)展

需要。快速成形技術(shù)方法如圖1所示。

４．２　穩(wěn)步提高效率及精度

為了使3D打印技術(shù)的優(yōu)勢更加明顯，在實(shí)際運(yùn)用的過

程中，應(yīng)該積極地重視相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用速度、應(yīng)用效率、應(yīng)

用精度。通過對(duì)3D打印技術(shù)的進(jìn)一步完善，使得3D打印機(jī)

體積呈現(xiàn)小型化、桌面化和成本低廉化的趨勢。需要在具體

的實(shí)踐中，積極地開發(fā)多樣化的3D打印材料，尤其是成型

金屬材料，以便于為制造業(yè)的發(fā)展提供便利和支持。在航空

領(lǐng)域相關(guān)的技術(shù)，應(yīng)該體現(xiàn)出具體的利用價(jià)值，更好地為航

空領(lǐng)域的長遠(yuǎn)發(fā)展做出積極的貢獻(xiàn)。結(jié)合目前的實(shí)際情況來

看，3D打印技術(shù)的完善是一種必然的趨勢，能夠更好地滿足

當(dāng)前相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及要求，為制造行業(yè)的長遠(yuǎn)進(jìn)步提供有力

的技術(shù)支持，使既定的目標(biāo)順利地實(shí)現(xiàn)。

４．３　轉(zhuǎn)變實(shí)際的商業(yè)模式

商業(yè)模式的合理化能夠推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展，因此

需要結(jié)合航空領(lǐng)域的實(shí)際發(fā)展情況，選擇合適的商業(yè)模式。

經(jīng)過資本化的運(yùn)作過程，使得擁有核心技術(shù)的3D打印企業(yè)

工 業(yè) 技 術(shù)

2020 NO.12（上）

中國新技術(shù)新產(chǎn)品

ＲＰ　　工藝方法及其分類

液體材料粉狀材料

片狀材料

液體樹

脂固體

熔融材

料固化

激光融

合材料

黏結(jié)劑

黏結(jié)材料

黏性片材料

的黏結(jié)

ＵＶ黏結(jié)

片狀材料

ＳＬＡ

ＢＩＳ

ＬＴＰ

ＨＩＳ

ＳＧＣ

ＢＭＰ

ＦＤＭ

３ＤＷ

ＳＤＭ

ＥＳ

ＳＬＳ

ＧＰＤ

３ＤＰ

ＳＦ

ＴＳＦ

ＬＯＭＳＦＰ

圖1快速成形技術(shù)方法

凝聚到一起，呈現(xiàn)出1種并購模式。將具備核心制造能力且

具有較低成本的制造企業(yè)作為關(guān)注的焦點(diǎn)，使其可以真正發(fā)

揮自身的作用，為航空制造領(lǐng)域做出積極的貢獻(xiàn)，打造出富

有特色的、生命力頑強(qiáng)的價(jià)值生產(chǎn)鏈。在科學(xué)地運(yùn)用相關(guān)的

手段時(shí)，確保相應(yīng)的商業(yè)模式得以優(yōu)化，呈現(xiàn)出更為理想的

運(yùn)營方案，使航空制造領(lǐng)域的發(fā)展更上一層樓。

協(xié)會(huì)等組織的力量，完成科學(xué)合理的活動(dòng)規(guī)劃，推動(dòng)3D產(chǎn)

業(yè)鏈的完善與優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

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４．４　注重產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟協(xié)會(huì)的構(gòu)建

通過建立3D打印產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟行業(yè)協(xié)會(huì)，能夠形成1條相

對(duì)完整且可靠的產(chǎn)業(yè)鏈，對(duì)于產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展，能夠起到相

對(duì)理想的推動(dòng)作用，確保協(xié)同發(fā)展的成效更加顯著。對(duì)工業(yè)

設(shè)計(jì)企業(yè)進(jìn)行合理科學(xué)的指導(dǎo)，借助于3D數(shù)字化技術(shù)提供

商和材料研發(fā)企業(yè)的共同作用，使得產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的建立更加合

理，與當(dāng)前實(shí)際的發(fā)展規(guī)劃相契合，推動(dòng)3D打印產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)

步發(fā)展，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)前進(jìn)的基本目標(biāo)。

４．５　提升科學(xué)技術(shù)的扶持力度

通過逐步加大科學(xué)技術(shù)的扶持力度，可以使相關(guān)技術(shù)的

投入更加到位，從而獲得更為滿意的成果，更好地提升3D

打印技術(shù)的整體水平。根據(jù)實(shí)際的需要，可以適當(dāng)?shù)亟?D

打印產(chǎn)業(yè)專項(xiàng)基金會(huì)，為相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域的推廣提供必

要的支持，穩(wěn)步推進(jìn)數(shù)字化技術(shù)和軟件控制等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)

展，促使相關(guān)工作的開展更加順利，贏得更為廣闊的發(fā)展市

場。

４．６　強(qiáng)化教育培訓(xùn)的力度

為了普及3D打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)社會(huì)化推廣的目的，應(yīng)該

提升教育培訓(xùn)力度，運(yùn)用科學(xué)的手段，使3D技術(shù)獲得更為

滿意的發(fā)展成果。需要將3D打印技術(shù)積極地納入科學(xué)的學(xué)

科建設(shè)體系中，及時(shí)培養(yǎng)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)型人才，結(jié)合行業(yè)

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