航空装备制造“特种兵”之3D打印

    在高端装备制造行业，航空装备制造一直以“高逼格”姿态自居，航空装备及零部件加工皆需达到高标准、高水平、高精度要求。3D打印技术在航空航天领域似乎非常受青睐，应用规模迅速增长，笔者将3D打印视作航空装备制造行业的“特种兵”。

                        航空装备制造“特种兵”之3D打印　　
　　近日，“特种兵系列”第四部《特种兵之霹雳火》在黄金档热播。“特种兵”，自带主角光环的一个词语，是雄壮威武、刚毅坚强的代名词。笔者“闹洞大开”地认为，3D打印技术其实是具备“特种兵”特征的，它在航空航天领域的应用与发展，尽显神秘与强势。

　　见证航空装备制造的那些3D打印

　　目前，3D打印技术正在快速成熟并实现工业化、商业化，其在航空航天和国防工业领域的应用规模近年来增长迅速。按照销售规模排名，3D打印在航空航天业和国防工业的应用规模占比分别为14.8%和6.6%。

　　笔者首先想要说明的一点是，在技术层面上，3D打印技在航空领域的应用是日趋成熟的，取得了很多新突破。以国内关于3D打印在航空领域应用的最新消息来说，我国首次实现了3D打印技术在转子类零件上的应用，研究成果推广应用到航天发动机其它关键零部件的研制，突破了复杂异型薄壁轴承座、中空薄壁主动冷却喷管与细长薄壁内流道喷嘴等产品的制造技术瓶颈，实现发动机关键结构的快速制造，显著提升了航天发动机综合性能。

　　在此之前，国内的研究团队还成功应用金属材料3D打印技术试制部分航天发动机的关键零部件。虽然改技术距离真正打印整台发动机还有很长的路要走，但中国航天发动机制造由此驶入3D打印的“快车道”。

　　国外研究者同样给力。澳大利亚的研究人员使用3D打印技术制造出喷气式发动机，这是首个全部采用3D打印制造出来的航空发动机。该3D打印发动机是一个燃气涡轮发动机的复制品，是一个用于飞机(如猎鹰20私人飞机)的辅助动力单元。据悉，目前打印了两部发动机，一部在阿瓦隆国际航空展上展示，另一部在法国的图卢兹展出。

　　围观那些趋之若鹜的“入局者”

　　不要以为只有专家、学者在苦心研究，一块市场庞大、前景广阔的大蛋糕，从来不缺乏“入局者”。

                        3D打印技术正在快速成熟并实现工业化、商业化
　　国内企业在3D打印航空领域是极具热情的。例如，今年东航成功将3D打印制造的飞机舱门手柄盖板、飞机座位指示牌等客舱部件配装到全新B777-300ER型客机上执行正常航班飞行，这一创新成果标志着东航成为中国民航首家运用3D打印技术制造飞机部件的航空企业。

　　国内3D打印的“入局者”，必须提及一个人——北京航天航空大学教授、国家技术发明一等奖获得者王华明。他以技术入股，分别与中航重机和南风股份组建合资公司，致力于在中国高端制造领域推广3D打印。

　　国外似乎更喜欢以“组团”方式“入局”。就在本月7日，瑞典三家科研机构联手成立一个以金属3D打印为主题的国家科研机构。该中心旨在加速瑞典金属和工程行业的3D打印研究、教育以及信息传播的步伐。国外还喜欢“洒钱”。英国商务部就宣投资1000万英镑用于发展3D打印技术在航空航天的应用，从竞争中找到改变航空航天技术的“游戏规则”，以帮助英国保持在全球航空市场的最前沿。
国内3D打印何时练就“钢铁般水平”

　　军人，都有钢铁般的意志，作为航空装备制造领域的“特种兵”，国内3D打印何时才能练就“钢铁般水平”，又该如何练就？

　　首先必须提高一个令人振奋的国家扶持性政策——工信部等部门联合印发的《国家增材制造产业发展推进计划(2015—2016年)》。《计划》明确提出，要到2016年初步建立较为完善的3D打印产业体系，特别是在航空航天等直接制造领域，中国3D打印技术要达到国际先进水平，在国际市场上占有较大市场份额。这份《计划》及相应的产业扶持政策，让3D打印技术在航空航天领域的产业应用迎来了曙光。

                                 中国3D打印产业发展　　
　　目前，中国在3D打印方面的研究方面处于国际前列，如论文和申请专利的数量处于世界第二。在应用方面，我国工业级设备装机量据全世界第四，但金属打印的商业化设备及国产工业级装备的关键器件还主要依靠进口。工业级3D打印材料的研究刚刚起步，除了个别研发能力强的公司研发了少量材料外，3D打印的材料基本依靠进口。3D打印从质和量两方面对国家战略地位和今后的科技发展都产生重大影响的技术。3D打印技术正处于一个技术的井喷期，产业的起步期，企业的跑马圈地期。

　　因此，中国要做的是抓紧标准研究，3D打印的数据标准可能影响到装备和应用两个方面。在航空件和高端医疗器械方面，要积极研究面对3D打印个性化制造产品准入的标准，以有利于新技术的应用。此外，要加强基础研究，发展原创技术，在3D打印的新材料研发，显著提升打印件的质量和打印效率等方面有创新技术；要建立创新体系，为企业提供核心技术和共性技术；要攻克关键核心器件，打造产业链；要引导金融资本，助推3D打印企业做大做强，形成若干个具备国际竞争规模的企业。

　　【延伸阅读】

　　科普：3D打印在航空装备制造领域的优势

　　3D打印技术作为第三次工业革命制造领域的典型代表技术，3D打印的发展时刻受到社会各界的广泛关注。尤其是航空航天制造企业，更是不惜耗费大量财力、物力加大研发力度，以确保自己的技术领先优势。

　　那么，3D打印在航空领域究竟有哪些优势？3D打印技术擅长解决个性化、复杂化、高难度的生产技术，这恰恰是传统制造业梦寐以求的。3D打印在航空装备制造行业的应用优势主要包括四个方面：

　　1、缩短新型航空航天装备的研发周期

　　航空航天技术是国防实力的象征，也是国家政治的体现形式，世界各国之间竞争异常激烈，因此，各国都想试图以更快的速度研发出更新的武器，使自己在国防领域处于不败之地。而金属3D打印技术让高性能金属零部件，尤其是高性能大构建的制造流程大为缩短。无需研发零件制造过程中使用的模具，这样就可以极大地缩短产品研发制造周期。

　　2、提高材料的利用率，节约昂贵的战略材料，降低制造成本

　　航空航天制造领域大都是在使用价格昂贵的战略材料，比如像钛合金、镍基高温合金等难加工的金属材料。传统制造方法对材料的使用率很低，一般不会超过2%—5%，材料的极大浪费也就意味着机械加工的程序复杂，生产时间周期长。如果是那些难以加工的技术零件，加工周期会大幅度增加，制造周期明显延长，从而造成制造成本的增加。3D打印技术只需进行少量的后续处理即可投入使用，材料的使用率达到了60%，有的甚至达到了90%以上，可以降低制造成本，节约原材料。

　　3、优化零件结构，减轻重量，增加使用寿命

　　对于航空航天武器装备而言，减轻重量是永恒不变的主题，不仅可以增加飞行装备在飞行过程中的灵活度，而且增加载重量，节省燃油，降低飞行成本。传统制造方法已经将零件减重发挥到了极致，但3D打印技术的应用，可以优化复杂零部件的结构，在保证性能的前提下，将复杂结构变换重新设计成简单结构，从而起到减轻重量的效果。3D打印技术通过优化零件结构，使零件的应力呈现出最合理化的分布，减少疲劳裂纹产生的危险，从而增加使用寿命。

　　4、零件的修复成型

　　金属3D打印技术，除用于生产制造之外，其在金属高性能零件修复方面的应用价值绝不低于其制造本身。就目前情况而言，金属3D打印技术在修复成型方面所表现出的潜力甚至是高于其制造本身。以高性能整体涡轮叶盘零件为例，当某一叶片受损，则整个涡轮叶盘将报废，直接经济损失高达百万元。