3D打印在飞机制造中的应用

　　在航空航天集团组织的国际媒体日上，一些通过3D打印技术生产的发动机零件样品被带到了展示现场，它们看上去并不起眼，很多甚至不足一枚硬币的大小。据了解，航空航天集团在3D打印技术领域的研究包括直接金属激光烧结、电子束熔化成型、叠层实体制造技术等。

　　3D打印为航空带来新机遇

　　“我对3D打印在航空制造业的运用感到非常兴奋。这是一项很有意思的创新，虽然还处于初级发展阶段，但就像是电脑的发展，你不知道它还会给你带来什么样的惊喜，”通用电气（GE）航空集团的一位技术人员对记者说。GE航空集团是世界最大的民用和军用飞机发动机、部件和集成系统制造商。在GE航空参观的两天里，“3D打印”是笔者听到最多的一个词。

　　GE航空集团总裁兼首席执行官戴维·乔伊斯告诉记者，他对3D打印技术在航空业的应用前景非常看好。“对产品设计师而言，过去他们会受到很多来自生产流程和制造工艺方面的限制，这是一件痛苦的事。有一些零件在没有3D打印技术的情况下是不可能实现的。3D打印技术让这些限制消失了，给了设计师们一种全新的思维方式和更大的创造空间。”他说。

　　目前在全世界范围内，GE航空和其持股50%的CFM国际公司生产的5.8万台飞机发动机正在使用中，平均每2秒钟就有一台由GE航空发动机提供动力的飞机起飞。2013年GE航空的销售额为220亿美元，其中32%来自于民用发动机，18%来自于军用发动机，37%来自于发动机的后期维护服务。

　　GE航空3D打印技术研发中心负责人格雷格·莫里斯介绍说，发动机制造所需的一些零部件往往订单量很小，只要1到100个。传统制造工艺需要很长的工艺制造流程，且成本高。3D打印大大节约了生产时间，并且能够生产出一些复杂的立体形状。他介绍说，在CFM国际公司开发出的新一代发动机LEAP中，包括喷油嘴在内的一些关键零部件就是通过3D打印制造的。他举例说，一款手掌大小的喷油嘴，如果按照传统的生产工艺，需要由20个零部件组成，而3D打印令这些零件成为一个整体，并且重量轻25%。不仅减少了大量组装时间，由于产品是一体化的，喷油嘴的寿命也比原来要长5倍，降低了维护成本。

　　3D打印技术还大大减少了对劳动力的需求。在研发中心的机房里，笔者看到几十台机器都在工作中，却没有几个工作人员。

　　莫里斯介绍说，在许多发动机的维护场所，如果配备了3D打印技术，将大大节约人力成本。莫里斯认为，随着设备和技术的发展，未来两到三年，3D打印的生产效率可能会比现在提高2到3倍。

　　当航空制造业遇上3D打印

　　事实上，3D打印技术出现在20世纪90年代中期，它是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。这种技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。对于航空航天领域来说，3D打印仍然是一项非常前沿的制造技术，近几年，全球领先的航空制造企业开始逐渐涉足这一技术领域的研究。

　　维尔·贝克告诉笔者，霍尼韦尔航空航天集团是从2010年进入该领域的，已经拥有了4年的研究经验。目前，霍尼韦尔已经成功地将利用3D打印技术生产出的单晶铸件装配在了其TFE731-60型发动机的涡轮叶片上，这款发动机在为达索旗下的猎鹰900公务机提供动力。

　　现在，与高校合作成为了制造商进行3D打印技术研究的共同模式。霍尼韦尔航空航天集团就与美国的4所大学签署了秘密的合作协议。当然，包括波音、空客等民机整机制造商也都选择了与大学进行合作，进行3D打印技术的研究。

　　“总体来说，目前航空业界都正在对3D打印技术直接制造的金属零件，按照飞机和发动机的设计要求进行全面的测试和验证，以及针对3D打印技术进行设计方的优化。”西北工业大学凝固技术国家重点实验室副主任林鑫告诉记者。

　　值得一提的是，金属3D打印高性能增材制造技术兼顾高精度、高性能、高柔性，可以快速制造结构十分复杂的金属零件，为先进航空航天器的快速研发提供了有力的技术手段。今年3月14日，空客与林鑫所在的西北工业大学在西安签署了合作协议，共同探索3D打印技术在航空领域的应用。该项目重点研究激光3D打印技术在飞机部件制造中一次打印成型、减少加工余量以及材料在成型过程中变形等难题。西北工业大学凝固技术国家重点实验室将承担样件制造，空客将承担样件的测量和评估工作。

　　满足航空制造未来需求

　　业内人士公认，3D打印技术在航空制造领域的诸多优势，尤其是在设计自主性和环保方面的优势，满足了航空业可持续发展的最终目标。此外，通过该技术，还可以减轻零件的重量，这直接关系到飞机的燃油经济性。过去，对于大型复杂构件，制造商用传统工艺无法完成，就拆为几个件做，然后再进行组合。如今3D打印可以实现零部件一次成型，这不仅增加了零部件的强度，同时也减轻了零部件的重量。

　　维尔·贝克还告诉笔者，这些好处综合起来，可以让研发过程更加高效。“过去通过传统工艺研制涡轮叶片的样件需要3年的时间，而如果采用了3D打印技术则仅需短短9周，与过去相比，为整个供应链节约了70%的时间”。

　　同时，空客也将3D打印技术作为飞机备件解决方案的一部分。记者从空客了解到，站在整机制造商的角度来看，3D打印技术是用来制造目前已经停产，但是仍然有市场需求的飞机零部件的最具成本效益的理想技术。采用3D打印技术进行飞机零部件制造，将大大降低制造、维修以及运营的成本，并更好地保护环境。

　　确保技术成熟可靠

　　尽管技术门槛非常高，但是，如今3D打印在航空制造业的研究已经开始由最初的实验室阶段逐步向实际使用阶段过渡。“但量产时的一致性和稳定性仍有待进一步提升。”林鑫说。不久前，有报道称GE航空与斯奈克玛合作，在喷油嘴的生产过程中采用选区激光熔化技术，并准备最晚在2016年开始全速生产，以每台LEAP发动机需要10个~20个喷油嘴计算，GE每年将需要制造约25000个喷嘴。与竞争对手GE更为积极的态度相比，霍尼韦尔航空航天集团对该技术的实际应用则显得异常谨慎。目前，霍尼韦尔航空航天集团通过3D打印生产的零部件仍然只是用于适航取证的测试件，并未投入实际生产中。事实上，在航空制造领域，短时间内，3D打印技术还无法完全替代传统的制造工艺。3D打印用于大规模量产至少要在10年之后。“我们希望从风险最低的、小的零部件开始，逐步推进，并以最安全的方式进入到生产阶段。”

　　空客也表达了相同的观点，对于新技术的应用，他们提倡循序渐进地开发和使用，无论是原料、工艺还是系统方面，都要经过严格的验证，在被确认为是成熟的且具有长期利用价值后才会投入应用。“其实，技术上已经没有问题了，但我们会更加谨慎，必须一遍又一遍地去测试，因为我们需要确保万无一失。”

　　本报记者 余娟