航空航天：3D打印應(yīng)用日趨成熟

就目前來說3D打印機(jī)最大的幾個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景一般為，航天制造，汽車加工，零件驗(yàn)證，軍工生產(chǎn)等，其中隨技術(shù)不同又分為FDM、光固化、SLM、SLS等技術(shù)，以適用于不同場(chǎng)景下的3D打印需求，而航空制造在3D打印中的應(yīng)用最早市場(chǎng)份額也是獨(dú)占鰲頭，就拿西安鉑力特而言，其最大的幾個(gè)產(chǎn)品需求方均為中國(guó)航天企業(yè)，占整體營(yíng)收的40%以上，并且隨著中國(guó)的航空技術(shù)不多發(fā)展，以及民用化航空企業(yè)的涌現(xiàn)，對(duì)于可以適用于航空生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證等環(huán)節(jié)中的3D打印產(chǎn)品又是一個(gè)不可多得的快速增長(zhǎng)期。

3D 打印技術(shù)已成為提高航天器設(shè)計(jì)和制造能力的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，主要應(yīng)用于設(shè)計(jì)模具鑄造、 功能性零部件制造、重要構(gòu)件修復(fù)。近年來，由于航空航天構(gòu)件對(duì)于材料的性能（如硬度、 熔點(diǎn)等）要求較高，國(guó)內(nèi)外 3D 打印技術(shù)的研究主要集中在形狀復(fù)雜的功能性金屬材料（包 括金屬、合金和金屬基復(fù)合材料）方面。目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)是 3D 打印重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域，在 一些技術(shù)較為成熟的國(guó)家，3D 打印也開始用于導(dǎo)彈、無人機(jī)以及衛(wèi)星的零部件。

  在模具鑄造方面，由于 3D 打印技術(shù) SLS 熔模鑄造工藝無需制造蠟?zāi)盒?，縮短了鑄造用 熔模的準(zhǔn)備時(shí)間，具有速度快、成本低的優(yōu)勢(shì)，十分適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜鑄件研制階段 所需進(jìn)行的反復(fù)鑄造工藝試驗(yàn)。普惠公司采用 3D 打印生產(chǎn)了超過 10 萬件部件和原型件， 包括鑄模、設(shè)備工具以及試驗(yàn)臺(tái)架硬件等。普惠公司在 PW1100G 發(fā)動(dòng)機(jī)的部件設(shè)計(jì)中， 采用增材制造技術(shù)極大地減少了部件的研制時(shí)間以及原材料和成本的浪費(fèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)單個(gè)零 件的制造速度提高 4-8 倍，相比鍛造，部分零部件最多節(jié)約 90%的材料。 

在設(shè)計(jì)驗(yàn)證過程當(dāng)中3D打印機(jī)可以極大的降低生產(chǎn)開模中的費(fèi)用花費(fèi)，提高整體的設(shè)計(jì)驗(yàn)證效率，對(duì)于關(guān)鍵部件可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)、定點(diǎn)的一對(duì)一定制更換，在整個(gè)加工環(huán)節(jié)有著重要地位。

在零部件制造方面，采用 3D 打印技術(shù)能夠減少大量零件的焊接組裝工作，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)更 復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高零部件性能。GE 公司采用 3D 打印技術(shù)制作航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴射 系統(tǒng)，其將傳統(tǒng)工藝的 20 片部件組裝或焊接的結(jié)構(gòu)制造為一個(gè)部件，這種方法得到的制 件具有接近鍛造的材料性能。而且 3D 打印工藝能夠避免產(chǎn)生變形和形成微裂紋，提高了 燃油噴射系統(tǒng)壽命將近４倍，重量減輕 25%，研制成本進(jìn)一步降低，預(yù)計(jì)能夠通過 50-100 個(gè)增材機(jī)械實(shí)現(xiàn)每年 40000 個(gè)噴嘴的產(chǎn)量，這一生產(chǎn)率將能夠確保每月 175 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)交付量。

在修復(fù)制件方面，利用 3D 打印技術(shù)修復(fù)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤的高周疲勞性能優(yōu)于原始 材料。通過大量基礎(chǔ)技術(shù)研究工作，國(guó)外已經(jīng)初步建立起整體葉盤的激光修復(fù)裝備、技術(shù) 流程和相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)，推動(dòng)了整體葉盤激光修復(fù)技術(shù)的工程化應(yīng)用，我國(guó)的相關(guān)科研機(jī)構(gòu)也 積極布局 3D 打印激光修復(fù)技術(shù)。德國(guó)弗朗恩霍夫協(xié)會(huì)與 MTU 公司合作利用激光修復(fù)技 術(shù)修復(fù)鈦合金整體葉盤。下圖為 MTU 公司制定的整體葉盤修復(fù)過程流程圖。北京航空制 造工程研究所采用激光修復(fù)技術(shù)修復(fù)了某鈦合金整體葉輪的加工超差，并成功通過了試車考核。

在航天領(lǐng)域，歐洲航天局(ESA)和瑞士 SWISS to 12 公司開發(fā)出專門為未來空間衛(wèi)星設(shè)計(jì) 的首個(gè) 3D 打印雙反射面天線原型，如圖所示，通過采用 3D 打印，不僅顯著增加天線的 精度，還可降低成本，縮短交付時(shí)間，增加射頻設(shè)計(jì)的靈活性，最重要的是減輕部件質(zhì)量。 美國(guó)航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)洛克達(dá)因公司(AerojetＲocketdyne)完成首批“獵戶座”載人飛船 12 個(gè)噴管擴(kuò)張段的 3D 打印任務(wù)，使為期 3 周的制造時(shí)間比傳統(tǒng)制造工藝技術(shù)縮短了約 40%。 

法國(guó)泰勒斯·阿萊尼亞航天公司將歐洲最大的 3D 打印零件(遙測(cè)和指揮天線支撐結(jié)構(gòu)，尺 寸約 45cm×40cm×21cm)用于 Koreasat 5A 和 Koreasat 7 遠(yuǎn)程通信衛(wèi)星，如圖所示，通 過 3D 打印實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量減輕 22%、成本節(jié)約 30%、生產(chǎn)周期縮短 1–2 個(gè)月。俄羅斯托木 斯 克 理 工 大 學(xué) (TPU) 設(shè) 計(jì) 并 制 造 的 首 枚 外 殼 由 3D 打印的 CubeSat 納 米 衛(wèi) 星 Tomsk-TPU-120 于 2016 年 3 月底搭載進(jìn)步 MS-02 太空貨運(yùn)飛船被送往國(guó)際空間站。