[科普中國]-3D打印技術(shù)發(fā)展及在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用

3D打印技術(shù)（又稱增材制造技術(shù)）是信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、先進(jìn)材料技術(shù)與數(shù)字制造技術(shù)的密切結(jié)合，是先進(jìn)制造業(yè)的重要組成部分，其與信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的深度融合，給各行各業(yè)發(fā)展帶來變革性影響。當(dāng)前，3D打印技術(shù)持續(xù)發(fā)展，市場規(guī)?？焖僭鲩L，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用不斷擴(kuò)大。

3D打印技術(shù)持續(xù)發(fā)展，市場規(guī)?？焖僭鲩L

3D打印技術(shù)在技術(shù)方法、制造平臺(tái)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等方面取得重要進(jìn)展，在市場規(guī)模方面保持快速增長態(tài)勢。

3D打印技術(shù)方法研究取得新進(jìn)展

連續(xù)液面生長（CLIP）技術(shù)

美國是3D打印技術(shù)的發(fā)源地，擁有最前沿的3D打印技術(shù)，在3D打印方法創(chuàng)新方面取得新的重大進(jìn)展。2015年3月，美國Carbon 3D公司開發(fā)出一種革命性3D打印技術(shù)——連續(xù)液面生長（CLIP）技術(shù)，打印速度比傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)快25~100倍，并且可制造出之前幾乎不可實(shí)現(xiàn)的超復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)形狀，極大推進(jìn)了3D打印技術(shù)的應(yīng)用。該技術(shù)通過在紫外線對(duì)光聚合的觸發(fā)作用以及氧氣對(duì)光聚合的抑制作用中找到平衡，可連續(xù)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)真正意義的3D打印。采用該技術(shù)打印成形的零件特征尺寸最小可小于20微米，比一張紙厚度的1/4還要薄。2016年1月，美國西北大學(xué)研究出新的金屬3D打印方法——兩步法。該方法采用一種由金屬粉末、溶劑和粘結(jié)劑組成的液態(tài)油墨材料，通過注射或擠壓工藝打印出坯體，之后在熔爐里燒結(jié)。該方法能夠打印金屬混合物、合金、金屬氧化物等多種金屬，并使3D打印更快、更便宜、更均勻。

3D打印制造平臺(tái)研究步伐加快

3D打印技術(shù)控制系統(tǒng)與平臺(tái)建設(shè)是支持3D打印技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。美國3D系統(tǒng)公司是全球3D打印技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，在美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室支持下，該公司將與霍尼韋爾公司、諾斯羅普·格魯曼公司、洛克希德·馬丁公司等大型軍工企業(yè)共同研發(fā)高精度閉環(huán)先進(jìn)制造與監(jiān)控平臺(tái)，用于制造航空航天零部件，滿足飛行器在飛行過程中精度高、功能強(qiáng)、可重復(fù)使用的特定需求。

2015年11月，美國Arevo實(shí)驗(yàn)室推出了機(jī)器人增材制造平臺(tái)（RAM），用于超強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料零部件的快速、高效3D打印。該平臺(tái)將ABB機(jī)器人公司的商用6軸機(jī)器人系統(tǒng)與熔融沉積成形技術(shù)、末端執(zhí)行器硬件以及一套綜合的軟件套件集成在一起，實(shí)現(xiàn)對(duì)高性能碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料零部件的3D打印。2016年2月，美國西亞基公司公布了基于電子束增材制造（EBAM）工藝的金屬3D打印系統(tǒng)專用的IRISS閉環(huán)控制系統(tǒng)。IRISS是一種沉積層內(nèi)部實(shí)時(shí)成像和傳感系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)監(jiān)控和處理數(shù)據(jù)的功能，為制造商在較大尺寸的金屬3D打印零部件的質(zhì)量和性能控制方面提供支持。

3D打印行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)一步完善

SME聯(lián)手TCT合辦2017年RAPID 3D打印展

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是3D打印行業(yè)發(fā)展必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著3D打印技術(shù)的興起，標(biāo)準(zhǔn)管理部門和研究機(jī)構(gòu)開始謀劃行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。2015年7月，歐盟的“增材制造標(biāo)準(zhǔn)化支持行動(dòng)（SASAM）”計(jì)劃發(fā)布了一份增材制造標(biāo)準(zhǔn)化路線圖。作為歐洲標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)模板，該路線圖闡述了標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)于產(chǎn)業(yè)應(yīng)用及現(xiàn)有增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的重要性，明確了標(biāo)準(zhǔn)化與優(yōu)先關(guān)注標(biāo)準(zhǔn)之間的差距。但由于標(biāo)準(zhǔn)研究機(jī)構(gòu)之間缺乏統(tǒng)籌，導(dǎo)致3D打印相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在一致性方面出現(xiàn)問題。

為此，“美國制造”創(chuàng)新研究所與美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)于2016年3月聯(lián)合成立一個(gè)跨部門協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)——“美國制造與美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)增材制造標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)作機(jī)構(gòu)”（AMSC），致力于協(xié)調(diào)并加速開發(fā)全行業(yè)的、符合參與機(jī)構(gòu)需求的增材制造標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，促進(jìn)增材制造企業(yè)健康發(fā)展。AMSC參與者主要來自私企、設(shè)備制造商、材料供應(yīng)商、政府、學(xué)術(shù)界、標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)機(jī)構(gòu)和認(rèn)證機(jī)構(gòu)等。

3D打印市場保持快速增長態(tài)勢

《沃勒斯報(bào)告2016》

2016年4月，增材制造行業(yè)的權(quán)威咨詢研究機(jī)構(gòu)——美國沃勒斯協(xié)會(huì)公司發(fā)布《沃勒斯報(bào)告2016》。該報(bào)告指出，2015年全球增材制造和3D打印市場銷售額達(dá)到51.65億美元，比2014年增長了10億美元，增長率達(dá)到25.9%。同時(shí)，2015年3D打印行業(yè)的年復(fù)合增長率低于過去3年的33.8%，也比過去27年的平均年復(fù)合增長率26.2%稍低。

但是，盡管2015年3D打印行業(yè)遭遇了一系列挑戰(zhàn)，但在多個(gè)領(lǐng)域出現(xiàn)了持續(xù)性增長，尤其是金屬3D打印和桌面3D打印。2015年，全球共有62家工業(yè)級(jí)3D打印系統(tǒng)（售價(jià)超過5000美元）廠商，2014年這一數(shù)字為49家，2011年僅為31家。2015年，售價(jià)低于5000美元的桌面型3D打印機(jī)銷量超過27.8萬臺(tái)，比2014年的16萬臺(tái)高出74%。而金屬3D打印機(jī)的增長率約45%，增速迅猛。

3D打印在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用持續(xù)深化

隨著3D打印技術(shù)快速發(fā)展，政府、軍方等機(jī)構(gòu)紛紛出臺(tái)政策支持3D打印技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用，使3D打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用更廣泛深入。

3D打印得到政府和軍方大力支持，政策環(huán)境進(jìn)一步優(yōu)化

美國國家增材制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)（NAMII，現(xiàn)名“美國制造”）發(fā)布新版增材制造技術(shù)路線圖。2015年9月該機(jī)構(gòu)發(fā)布了新版美國“增材制造技術(shù)路線圖”，將設(shè)計(jì)、材料、工藝、價(jià)值鏈和增材制造基因組等5個(gè)技術(shù)領(lǐng)域設(shè)定為關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，每個(gè)領(lǐng)域下設(shè)多個(gè)子領(lǐng)域，按照技術(shù)成熟度分別對(duì)每個(gè)領(lǐng)域2013年—2020年發(fā)展重點(diǎn)進(jìn)行了規(guī)劃。上述這些領(lǐng)域是該機(jī)構(gòu)未來一段時(shí)期內(nèi)提升增材制造技術(shù)與制造成熟度的發(fā)展重點(diǎn)，也是美國政府發(fā)展增材制造產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)。美國NAMII自成立以來為增材制造技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用提供了三輪資金資助，總額超過2000萬美元。

DARPA“開放式制造項(xiàng)目“?？梢钥吹?，在一個(gè)100倍顯微鏡下，兩個(gè)使用同樣材料3D打印的部件，差別相當(dāng)大

美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）實(shí)施“開放式制造項(xiàng)目”，推動(dòng)3D打印成為國防制造領(lǐng)域的主流技術(shù)。2015年5月DARPA宣布實(shí)施“開放式制造項(xiàng)目”，旨在開發(fā)快速鑒定技術(shù)，從而全面獲取、分析并監(jiān)控制造過程，以預(yù)測最終產(chǎn)品的性能，確保產(chǎn)品所需的置信度，可靠保證飛機(jī)機(jī)翼或軍事系統(tǒng)的復(fù)雜部件批生產(chǎn)。該項(xiàng)目主要研究方向之一是開展“快速低成本增材料制造”研究，重點(diǎn)研究金屬增材制造過程。

美陸軍發(fā)布最新版《陸軍制造技術(shù)規(guī)劃報(bào)告》。2015年11月，美國陸軍發(fā)布2016財(cái)年《陸軍制造技術(shù)規(guī)劃報(bào)告》。報(bào)告簡要介紹了陸軍制造技術(shù)規(guī)劃的任務(wù)、組織機(jī)構(gòu)、投資策略等，并從項(xiàng)目目標(biāo)、實(shí)施方案、成果、效益、受影響的武器系統(tǒng)等方面，對(duì)利用增材制造實(shí)現(xiàn)高價(jià)值航空資產(chǎn)修復(fù)/回收/再利用進(jìn)行了研究；對(duì)面向關(guān)鍵武器系統(tǒng)零部件直接制造、再制造及延壽的增材制造技術(shù)等6大領(lǐng)域的31個(gè)正在實(shí)施的重點(diǎn)項(xiàng)目進(jìn)行了分析。

3D打印應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)展，由零部件擴(kuò)大到整機(jī)

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)，其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展。國外企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)利用3D打印不僅打印出了飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、載人飛船的零部件，還打印出了發(fā)動(dòng)機(jī)、無人機(jī)、微衛(wèi)星整機(jī)，在成本、周期、重量等方面取得了顯著效益，充分顯示了3D打印技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

在零部件級(jí)方面，空客公司采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)了超過1000個(gè)飛機(jī)零部件，其中用于A350XWB寬體飛機(jī)的艙體支架獲得“2014年德國工業(yè)創(chuàng)新大獎(jiǎng)”；美國空軍第552空中控制聯(lián)隊(duì)利用Fortus 400mc 3D打印機(jī)成功打印出飛機(jī)座椅扶手的塑料端蓋，并首次獲得批準(zhǔn)將其應(yīng)用于E-3預(yù)警機(jī)，通過3D打印實(shí)現(xiàn)該部件的單位成本由8美元降低至2.5美元；美國Aerojet Rocketdyne公司利用3D打印制造了首批12個(gè)“獵戶座”載人飛船噴管擴(kuò)張段，制造時(shí)間比傳統(tǒng)制造工藝技術(shù)縮短了約40%；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)飛船被送往國際空間站；美國海軍在2016年3月進(jìn)行的“三叉戟”II D5潛射彈道導(dǎo)彈第160次試射中成功測試了首個(gè)使用3D打印的導(dǎo)彈部件——可保護(hù)導(dǎo)彈電纜接頭的連接器后蓋，使該零件的設(shè)計(jì)和制造時(shí)間縮短了一半。

在整機(jī)級(jí)方面，美國太空探索技術(shù)公司火箭實(shí)驗(yàn)室發(fā)布了一臺(tái)用于低成本太空旅行的3D打印世界首款電動(dòng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)——Rutherford電動(dòng)發(fā)射系統(tǒng)，采用該系統(tǒng)可將火箭發(fā)射成本由傳統(tǒng)燃料火箭發(fā)射的1億美元降至490萬美元；英國南安普頓大學(xué)利用增強(qiáng)型ABS塑料打印出了一款成本僅為數(shù)千美元的小型無人機(jī)（Sulsa），俄羅斯Rostec公司也推出3D打印的多用途兩棲無人機(jī)，該無人機(jī)重3.8千克，翼展為2.4米，飛行速度可達(dá)100千米/小時(shí)，續(xù)航時(shí)間長達(dá)1.5小時(shí)，從概念到原型僅花費(fèi)兩個(gè)半月，生產(chǎn)時(shí)間約為31小時(shí)，費(fèi)用不到20萬盧布（約合3700美元）。

3D打印應(yīng)用深度進(jìn)一步加大，趨向“前端部署”

當(dāng)前，隨著3D打印技術(shù)應(yīng)用深度不斷加大，圍繞裝備維修與保障，在維修基地、空間站、戰(zhàn)場前沿等供應(yīng)鏈“前端”部署3D打印的趨勢愈加明顯，這無疑將改變現(xiàn)有的裝備維修模式與保障體系。

一是在維修基地或裝備保障體系中增加3D打印技術(shù)部署，一方面在國防預(yù)算日益吃緊的情況下推動(dòng)成本節(jié)省的同時(shí)，還可以減少對(duì)由于國家之間政治關(guān)系緊張時(shí)無法被本國使用的國外零件的依賴，即替代進(jìn)口。例如，韓國空軍利用3D打印技術(shù)制造其F-15K戰(zhàn)斗機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪機(jī)蓋板，將成本從4000萬韓元（3.4萬美元）減少到300萬韓元，采購時(shí)間比原來的60天減少一半以上，還通過3D打印將歐洲制造的運(yùn)輸機(jī)揚(yáng)聲器罩的制造周期由7個(gè)月減少至4~5小時(shí)，成本從621美元降低至35美元。另一方面，還可打印老舊或已停產(chǎn)零部件，提高軍事基地維護(hù)飛機(jī)的能力。例如，位于美國俄克拉荷馬州Tinker空軍基地的空軍后勤中心（OC-ALC）正在利用3D打印技術(shù)優(yōu)化工作流程，通過3D打印飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件和現(xiàn)代電子元器件，維護(hù)B-52戰(zhàn)機(jī)的戰(zhàn)斗力。

二是在空間站應(yīng)用3D打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在太空3D打印制造，需將原材料運(yùn)送至國際空間站按需打印。美國太空制造公司已開發(fā)出可在真空環(huán)境中使用的3D打印機(jī)，并于2014年8月將其運(yùn)送至國際空間站，宇航員不僅打印了3D測試件，還打印了功能結(jié)構(gòu)件。雖然太空3D打印技術(shù)在國際空間站外實(shí)際使用仍面臨諸多挑戰(zhàn)，包括如何保證被打印的物體在太空中陽光直射下具有較長使用壽命，以及如何控制打印過程中溫度變化等問題，但仍引起了美國NASA的重視。

三是將3D打印技術(shù)部署在戰(zhàn)場前沿，實(shí)現(xiàn)直接在戰(zhàn)場上打印零部件，刪減由再制造基地制造零部件，然后運(yùn)送到倉庫，再安裝到某個(gè)組件里或運(yùn)送到戰(zhàn)場中使用的中間過程環(huán)節(jié)，達(dá)到在最需要零部件的地方直接準(zhǔn)確地滿足所需的目的。目前，美國國防后勤局正委托后勤管理研究所開展3D打印技術(shù)應(yīng)用咨詢，研究利用3D打印技術(shù)縮短軍隊(duì)供應(yīng)鏈，減少庫存，降低后勤保障成本。美國海軍已啟動(dòng)“艦上打印”項(xiàng)目，開發(fā)零件打印、資格認(rèn)證以及零件交付等一系列程序，評(píng)估可用于軍事用途的各種3D打印技術(shù)與材料，以達(dá)到在海上艦艇中制造飛機(jī)零部件的目標(biāo)。近年來，美軍已使用3D打印技術(shù)打印出了油箱蓋、醫(yī)療用品等較為簡單的產(chǎn)品。

結(jié)束語

與傳統(tǒng)制造方式相比，3D打印技術(shù)不僅可大幅度降低生產(chǎn)成本，還突破了傳統(tǒng)制造工藝對(duì)于復(fù)雜形狀的限制，它帶來的是生產(chǎn)加工觀念的革命性轉(zhuǎn)變，對(duì)推動(dòng)全球航空航天領(lǐng)域的發(fā)展起到了重要作用。同時(shí)，需要指出的是，雖然3D打印技術(shù)具備快捷、方便、低成本等顯著優(yōu)勢，但仍面臨著應(yīng)用挑戰(zhàn)，如質(zhì)量保證、知識(shí)產(chǎn)權(quán)、人員培訓(xùn)、信息安全等問題。未來，3D打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用將是“漸進(jìn)式”而非“革命性”。

(來源：北京航天情報(bào)與信息研究所，原文載航天防務(wù)微信公號(hào)，已獲授權(quán)轉(zhuǎn)載）