3D打印技術(shù)在航空航天工業(yè)的應(yīng)用

王建偉

（軍事交通學(xué)院（天津） 301800）

3D打印技術(shù)在航空航天工業(yè)的應(yīng)用

王建偉

（軍事交通學(xué)院（天津） 301800）

本文結(jié)合3D打印技術(shù)的發(fā)展，探討了該技術(shù)在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用，并對(duì)該應(yīng)用進(jìn)行了一定的歸類，希望這樣的探討為我國更好地開展3D打印技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用提供借鑒。

3D打印技術(shù)；航空航天；應(yīng)用

1 概述

航空航天領(lǐng)域所使用的零部件，相關(guān)制造工藝具有其特殊性。具體來說，既要求零部件質(zhì)量輕，強(qiáng)度大，同時(shí)具有特殊的電性能和熱性能，又要求零部件的開發(fā)、制造周期盡可能縮短。這種要求使得傳統(tǒng)制造工藝在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展受到很大限制。然而，3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，很好地滿足了這領(lǐng)域內(nèi)很多零部件從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)制造的要求，重要集中在以下幾個(gè)方面：

1.1 異型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的制造需要

航空航天領(lǐng)域的金屬材料加工通常需要兼顧高精度、高性能、高柔性與快速反應(yīng)等特性。所以需要成型結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄壁異型金屬零件。對(duì)于這類零件的生產(chǎn)，傳統(tǒng)制造工藝主要依靠鑄造和鍛造，而對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件則必須采用分段生產(chǎn)并后期組裝的方法。其中，鑄造工藝一般用于制造質(zhì)量較大，且加工精度較粗糙的零件；而鍛造切削工藝雖交工精度較高，但受到加工設(shè)備的尺寸限制，一般鍛造件的尺寸不宜過大。由此可見，該兩種傳統(tǒng)工藝都無法滿足復(fù)雜金屬機(jī)構(gòu)件的制造要求。如果勉強(qiáng)使用，再采取后期組裝的方法，則很難控制該金屬組裝件的整體精度，同時(shí)將無法避免零部件質(zhì)量的增加。由此可見，對(duì)于該結(jié)構(gòu)類型金屬零部件的制造而言，傳統(tǒng)制造工藝無疑成為了制約航空航天技術(shù)發(fā)展的瓶頸，然而3D打印技術(shù)卻可以解決這類難題。以戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)翼部件為例，美國的AeroMet公司于2000年就設(shè)計(jì)并制造了基于激光快速成型技術(shù)的鈦合金機(jī)翼結(jié)構(gòu)件，該機(jī)翼結(jié)構(gòu)件通過了地面性能考核試驗(yàn)，它的靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度均達(dá)到了飛機(jī)設(shè)計(jì)要求。該公司于2001年使用同樣的制造技術(shù)，為波音公司制造了F/A-18E/F艦載聯(lián)合殲擊/攻擊機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)艙推力拉梁、機(jī)翼的折疊接頭和翼梁等鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件。該機(jī)構(gòu)件在F/A-18E/F系列戰(zhàn)機(jī)上的裝機(jī)應(yīng)用和實(shí)際飛行考核均合格。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，該零件滿足疲勞壽命4倍的要求，靜力加載到設(shè)計(jì)要求的225%時(shí)也未出現(xiàn)破壞。

1.2 新材料新結(jié)構(gòu)的研發(fā)需要

3D打印技術(shù)所帶來的全新設(shè)計(jì)理念實(shí)現(xiàn)了全新的制造方式，可以在航空航天工業(yè)中很大程度地替代傳統(tǒng)的制造模式。比如在傳統(tǒng)制造方法所對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，需要多次使用焊接、法蘭連接或鉚接的零部件，采用3D技術(shù)后，可以設(shè)計(jì)制造出一次整體成型零件，而且可以實(shí)現(xiàn)不同材料的一體化成型。對(duì)于目前由于制造方式的限制無法成型的特殊復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，采用3D打印技術(shù)往往能很容易地制造。由3D打印技術(shù)所帶來的對(duì)新材料新機(jī)構(gòu)件的設(shè)計(jì)和制造生產(chǎn)對(duì)于傳統(tǒng)的制造模式是具有顛覆性影響的。以火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣孔蓋為例，美國普惠·洛克達(dá)因公司于2013年采用激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)（Selective Laser Sintering，SLS）制造了用于J-2X火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣孔蓋。使用該工藝制造的排氣孔蓋，其成本幣傳統(tǒng)方法降低了65%，制造相關(guān)噴嘴用時(shí)不到4個(gè)月，成本降低70%，與此相比，傳統(tǒng)工藝制造噴嘴則需要1年多。使用該排氣孔蓋的J-2X火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在惡劣環(huán)境下進(jìn)行了試驗(yàn)，并取得成功。如圖1所示的是該火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣孔蓋?？紤]到火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中的劇烈震顫，使用SLS技術(shù)制造的零件在結(jié)構(gòu)上與使用傳統(tǒng)焊接工藝所得的零件相比更加堅(jiān)固。

3D打印技術(shù)獨(dú)特的設(shè)計(jì)理念給研究人員提供了更加廣闊的設(shè)計(jì)制造空間，這為更多的新型產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)提供了可能。這類具有結(jié)構(gòu)和功能一體化的零部件設(shè)計(jì)及制造方式將是航空航天領(lǐng)域未來的發(fā)展方向之一。所設(shè)計(jì)制造的零部件可以盡可能縮短研制周期、降低成本，同時(shí)由于零部件的連接工藝減少，整體的強(qiáng)度和剛度會(huì)大大提高，從而延長飛行器的使用壽命。值得一提的是，新型的3D打印技術(shù)使得金屬、陶瓷、樹脂等多材料一次整體成型工藝成為可能，這極大地豐富了航空航天工業(yè)產(chǎn)品的綜合性能。

圖示2 J-2X火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣孔蓋

1.3 在軌航天器零部件的替換需要

把原材料送入“國際空間站”，并通過“國際空間站”上的太空平臺(tái)進(jìn)行3D打印，可以根據(jù)需要直接在太空中制造出需要替換的老化或損壞的航天器零部件。這樣可以有效解決“國際空間站”所需物資的運(yùn)輸問題，有效避免火箭發(fā)射造成的時(shí)間耽擱和成本浪費(fèi)等問題。2014年12月，美國商業(yè)公司研制的全球首臺(tái)微重力3D打印機(jī)在“國際空間站”依照美國航空航天局從地面發(fā)送的設(shè)計(jì)文件打印出套筒扳手。由此，3D打印機(jī)未來有望制造“國際空間站”30%以上的備用零部件，用于替換老化或損壞的航天器零部件。同時(shí)，在太空中使用3D打印技術(shù)，還有助于將太空中的材料回收再利用，這樣能更大程度地緩解目前的太空物流問題，并減少太空垃圾。

2 結(jié)束語

3D打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域正在得到廣泛的應(yīng)用。該項(xiàng)技術(shù)對(duì)航空航天工業(yè)中的某些零部件的制造能起到降低成本、縮短周期的作用。同時(shí)它有助于設(shè)計(jì)研發(fā)具有新功能、新結(jié)構(gòu)的零部件，同時(shí)保證并提高結(jié)構(gòu)可靠性。它的應(yīng)用對(duì)航空航天工業(yè)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展是有很大推動(dòng)作用的。

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