国防和航空航天的5.2技术在3D打印中的应用实例

国防和航空航天领域对3D打印也抱有很大的期望，希望能够通过3D打印技术的应用来削减成本和提高生产效率。航空航天产品具有形状复杂、批量小、零件规格差异大、可靠性要求高等特点，产品的定型是一个复杂而精密的过程，往往需要多次的设计、测试和改进，耗资大、耗时长，3D打印技术以其灵活多样的工艺方法和技术优势在现代航空航天产品的研制与开发中具有独特的应用前景。3D打印在航空航天和国防领域主要用于直接制造。其次，在设计验证过程中的应用也必不可少。相比传统制造，用3D打印技术进行设计验证省时省力。3D打印还可以应用于维修领域，不仅能够极大地简化维修程序，还可以实现很多传统工艺无法实现的功能。

通过使用更先进的打印机和金属材料，航空航天和军工制造企业正在试图制造传统技术难以实现的零部件，比如用于卫星或喷气式战斗机的支架或工具等。

1.单件或小批量零部件产品直接制造

航空领域需求的许多零部件通常都是单件或小批量，采用传统制造工艺，成本高，周期长。随着航空航天技术的发展，零件结构越来越复杂，力学性能要求越来越高，质量却要求越来越轻，传统工艺制造很难满足这些要求。借助3D打印技术制作模型进行试验，直接或间接利用3D打印技术制作产品，可以满足这些需要，具有显著的经济效益和时间效益。

中国C919大型客机风挡在高速飞行时要承受巨大动压，其窗框由钛合金制成。国内首创用3D打印技术成功制造了C919飞机窗框中央翼缘条钛合金大型主承力构件，如图5-27所示。该中央翼缘条最大尺寸达2.83m，是大型钛合金结构件，传统方法零件的加工除去量非常大，对制造技术及装备的要求高，需要大规格锻坯、大型锻造模具及万吨级以上的重型液压锻造装备，制造工艺相当复杂，生产周期长，制造成本高。西工大与中国商用飞机有限公司合作，应用粉末激光烧结工艺完成了中央翼缘条的制造，最大变形量小于1mm，实现了大型钛合金复杂薄壁结构件的精密成型。利用粉末激光熔覆工艺制造中央翼缘条，相比现有技术可大大提高制造效率和精度，显著降低生产成本。此外，传统锻件毛坯质量达1607kg，而利用激光成型技术制造的精坯质量仅为136kg，节省了91.5%的材料，并且经过性能测试，其性能比传统锻件还要好。

图5-27 C919飞机中央翼缘条

图5-28为中航工业一飞院在国家某重点型号研制中，将全三维数字化设计技术与最新的3D打印技术相结合，在北京航空航天大学的协助下，“打印”出多个满足各项标准要求的飞机部件，使“将3D打印技术应用于飞机研制”成为现实。无须任何机械加工或模具，就能直接从计算机三维图形数据中生成任何形状的零部件，安装到飞机上还能满足强度、刚度和使用功能上的任何要求。

图5-28 3D打印技术应用于飞机研制

作为使用3D打印技术的先驱，波音公司已经打印了用于各类飞机上的22000个部件。例如，利用3D打印技术为新型787飞机制造了环境控制管道（ECD）。由于其内部结构复杂，使用传统工艺制作ECD时，需要制造20个部件。而利用3D打印技术，波音公司可以生产出一个完整的ECD。新部件可以减少库存，还无须装配，降低了检查和维护时间。由于3D打印的部件质量较轻，飞机的操作质量也随之减轻，从而节省了燃料。根据美国航空公司报道，飞机质量每减轻1lb（约0.454kg），公司每年就能省下11000USgal（约41.64m³）以上的燃料。波音公司和其他航空航天巨头，如通用电气公司、欧洲航空防务航天公司（EADS）、空中客车的制造商，正在进一步研究优化部件，如机翼支架，如图5-29所示。Ferra Engineering是一家为波音公司和空中客车公司提供服务的澳大利亚航空承包商，它签下了一份利用3D打印技术制作2m长的大型钛合金零件的合同，用于F-35联合攻击战斗机上，以减少加工时间和材料浪费。波音公司甚至设想在未来能3D打印出完整的飞机机翼。

图5-29 空中客车3D打印的金属机翼支架

美国GE公司里面有800多个3D打印的机器在使用，且空客A320客机已经使用3D打印技术，其中一个活页零件就可以减少质量10kg左右。

3D打印技术的另一个优点是可以分布式制造，解决供应链问题。在某个地方大规模生产的组件需要数周才能运达装配工厂，但现场利用3D打印技术制作组件，便可以省去运输时间，减少供应链中可能出现的摩擦，降低工厂的库存量。长供应链较极端例子发生在太空探索中。“太空制造”与“月球建筑”两个团体组织正在研究在国际空间站上甚至是在火星上打印产品、工具或更换零件，以避免昂贵且花费长达10年之久的规划周期，来策划火箭发射需要携带的必要更换零件和工具。“太空制造”组织与NASA签订了合同，目前正在进行无重力试验，计划在国际空间站上试用3D打印技术。如果研制成功，宇航员就能在需要时直接在太空制作工具和零件了（图5-30）。目前，NASA的下一架太空探索飞行器“漫游者”约有70个部件是3D打印完成的。NASA工程师也使用3D打印工艺制作产品原型，在生产前进行部件测试。

图5-30 “太空制造”小组正在进行3D打印无重力测试

英国《每日邮报》网站报道，美国宇航局计划在轨道建造一个“太空制造厂”，利用3D打印技术和机器人技术制造天线、太阳能电池板等大型设备。这个“太空制造厂”名为“SpiderFab”，计划于2020年投入使用，是美国科技公司Tethers Unlimited在获得美国宇航局50万美元合同以后着手开发的。“SpiderFab”借助于3D打印和机器人技术，在太空建造和组装大型零部件，例如天线、太阳能电池板、传感器桅杆、轨道侧支索等。图5-31为“SpiderFab”项目拟利用3D打印和机器人技术在太空建造天线、太阳能电池板、望远镜等大型设备。

图5-31 “SpiderFab”项目利用3D打印和机器人技术在太空建造大型设备

目前，大型航天器零部件都是在地面上建造完成的，这些零部件可以折叠放入火箭保护罩，然后再发射到太空以后进行部署。但这种方法耗资巨大，建造的零部件尺寸还要受到保护罩体积的限制。而“SpiderFab”能以纤维制品或聚合物等材料，制造至关重要的太空零部件，并具有紧凑且耐持久“胚胎”的形态，以确保这些零件能够放入尺寸较小、成本较低的运载火箭中被发射到太空。一旦进入太空，“SpiderFab”机器人制造系统就会对材料进行处理，制造出适合太空环境的超大型结构。这种方法完全不同于传统技术，可制造大小是现在数十倍甚至数百倍的天线或天线阵列，从而提供适用于各类太空任务的较高功率、较高带宽、较高分辨率和较高灵敏度的大型设备。目前，采用火箭发射易碎设备的失败概率很高。“SpiderFab”可显著降低采用火箭发射易碎设备的风险性。美国宇航局在研究了这项技术的可行性以后，与Tethers Unlimited签订了初步合作协议。在协议的第二个阶段，Tethers Unlimited将提出和演示多种方法，确保制造高性能支持设备（如反光镜和天线）的3D打印等有关技术可有效运转。此外，根据与美国宇航局小企业创新研究中心（SBIR）签订的合作协议，Tethers Unlimited还正在研制一种名为“Trusselator”的设备，这种设备可以制造桁架结构，为在太空中建造大型太阳能电池板提供支持，如图5-32所示。

图5-32 “Trusselator”设备在太空中建造桁架结构

霍伊特说：“‘Trusselator’是实现‘SpiderFab’架构的第一个关键步骤，一旦这一设备展现了它的可行性，我们就能建造足球场大小的天线和望远镜，帮助寻找系外行星以及地外生命存在的证据。”在与Tethers Unlimited签订合作协议以后，美国宇航局还将开展一系列开发太空3D打印技术的项目。

某一航空领域公司的无人驾驶飞行器上一款电驱动四马达垂直起落架，通过CAD设计之后，采用3D Systems公司的sPro SLS设备，使用DuraForm EX黑色材料进行制作，如图5-33所示。与传统的采用纤维材料通过传统工艺制造相比，3D打印技术显著提高了生产效率和产品制作的速度，该公司称3D Systems公司为其主要的贡献者。

凯利制造公司是世界最大通用航空仪器制造商。仪器仪表制造业需要严格的测试设施和坚实的质量体系，以确保飞机的飞行员飞行安全系统的功能和可靠性。M3500仪器是一种为飞行员提供飞机转率的仪器。M3500仪器的一个重要组成部分是环形的外壳，是聚氨酯铸件。利用传统工艺很难准确获得外壳尺寸，并且需要手工打磨。另外，改变模具设计也会增加很高的成本。快速PSI公司是专门的代工制造商，它利用FDM技术使用Ultem9085材料为凯利制作了新的M3500仪器外壳，其使用的3D打印设备为FDM900mc，新的工艺尺寸公差严格控制在0.003in以内，无须装配，节省了制作时间和成本，且不需要模具，可以方便地更改材料和工艺。图5-34为利用FDM工艺制作的M3500仪器外壳。

图5-33 电驱动四马达垂直起落架

图5-34 利用FDM工艺制作的M3500仪器外壳

RDASS4是一个独特的无人驾驶飞行器（UAV），质量只有5lb（约2.27kg）。它有四个电池供电的电动马达，使它能够在100in高度盘旋。其典型的军事应用是为装甲车侦察可能会带来危险的地形或建筑物。为满足这种需求，RDASS4外壳层的塑料部件必须通过功能和碰撞测试，以确保其在碰撞后可以再次起飞。传统的方法是采用注塑成型来制作飞行器的外壳，这种工艺成本很高并且需要6个月的时间制造模具，工装后的任何设计变更，都需要昂贵和费时的修改。而3D打印技术中的FDM工艺可以满足RDASS4外壳部件的需求。研究人员现在利用FDM工艺，使用Dimension 3D打印机，可以非常迅速地制作出外壳部件，并且方便地根据制作出来的原型来更改工艺方案。图5-35为RDASS4无人机及其飞行器外壳。

图5-35 RDASS4无人机及其飞行器外壳

在航空领域借助3D打印技术取代采用模具方法进行单件制作具有很大的优势，一方面节省了模具制作的成本和时间，另一方面复杂结构的制作也容易实现。据某一为航空领域提供零部件的公司统计，采用3D打印技术使得零部件本身制作成本降低50%～80%，制造时间减少60%～90%，零部件质量降低10%～50%，模具制作时间和成本降低90%以上。

2.新产品开发过程中的设计验证与功能验证

在飞机或航天器的制作过程中，从设计阶段就开始全盘考虑减重和安全目标，通过一次次的改进设计和模拟测试来达到目标。在工业制造领域，通常生产成本的80%是在设计阶段决定的，设计阶段是控制产品成本的重要环节。这条原理在航空航天领域同样适用，也更加重要。航空航天产品开发中的问题都应当尽量在设计环节发现并加以解决，这是实现成本控制和质量控制的最好方式。为此，可利用3D打印技术制作具有功能测试性能的模型和样件，并模拟出产品的最终形态（功能形态、曲面形态等），以验证产品结构是否合理，运动配合是否顺畅等，甚至可以制作1：1的模型，将其放进风洞进行直观的空气动力检测。

在航空航天领域，SLA模型可直接用于风洞试验，进行可制造性、可装配性检验。航空航天零件往往是在有限空间内运行的复杂系统，在采用光固化成型技术以后，不但可以基于SLA原型进行装配干涉检查，还可以进行可制造性讨论评估，确定最佳的合理制造工艺。

众所周知，飞机发动机是非常复杂的部件，也是性能要求非常高的部件。蒙纳士大学增材制造中心主任华裔科学家吴新华教授率领团队采用3D打印技术制造出世界上第一台可以运行的飞机发动机，如图5-36所示。(www.xing528.com)

图5-36 3D打印出世界上第一台可以运行的飞机发动机

利用光固化成型技术可以制作出多种弹体外壳，装上传感器后便可直接进行风洞试验。通过这样的方法可减少制作复杂曲面模的成本和时间，从而可以更快地从多种设计方案中筛选出最优的整流方案，在整个开发过程中大大缩短了验证周期和开发成本。此外，利用光固化成型技术制作的导弹全尺寸模型，在模型表面进行相应喷涂后，清晰展示了导弹外观、结构和战斗原理，其展示和讲解效果远远超出了单纯的计算机图样模拟方式，可在未正式量产之前对其可制造性和可装配性进行检验。图5-37a为SLA制作的导弹模型。

风洞试验是任何飞机研制必不可少的一个关键进程，以试验飞机各项气动外形性能和飞行性能等。低速风洞试验模型，要求模型数据准确，具备一定的强度，传统的加工方式加工周期长，成本高，由于比较重，试验操作也不方便，而利用SLA方式制作的风洞试验模型可以克服以上缺点，具有很高的经济效益。图5-37b为经过电化学沉积后的SLA飞行器风洞模型。

图5-37 SLA制作的用于风洞试验的飞行器模型

图5-38为利用3D打印技术按1：100的比例制作的C919缩比模型，主要用于多种机身涂装方案的效果快速评估。其制作过程为，首先将IGS格式的数据导入Magics软件进行缺陷数据的处理和修复，主要包括对法向方向定义相反的曲面、没有进行正常连接的曲面（曲面之间有交叉和缝隙）或在数据转换过程中出现轮廓缺失的曲面进行统一修整，将修整好的数据按2mm的壁厚进行抽壳后加载到RS6000设备上进行原型加工，原型制成后按不同的涂装方案要求进行表面喷涂处理。相比传统的手工制模，利用SLA工艺进行涂装模型的制作有两个明显优势：速度快，效率高。数据处理时间约为1天，SLA做缩比模型时间约为13h，后处理时间为4天。与手工模型相比，SLA原型的精度高、数据还原性高，如翼身融合部、发动机部分、舵面线等细节。

美国宇航局新一代宇航服Z-2为宇航员将来在火星生活、工作而设计，Z-2（图5-39）是史上首次用3D激光扫描宇航员人身并且用3D打印技术开发制造而成的宇航服。与旧款Z-1相比，Z-2宇航服的上半身比较坚硬，更加耐用，并且满足宇航员舱外活动的需求并嵌入了仿生学设计理念，未来这套宇航服将登陆火星。

图5-38 利用SLA技术制作的C919模型

图5-39 3D打印技术开发的宇航服

美国GE公司曾通过长达10多年的探索将飞机发动机喷油嘴的设计进行不断的优化、测试、再优化，最终将喷油嘴的部件数量从20多个减少为单个整体的零部件，并通过金属3D打印技术实现了该零部件的制造。通常这种复杂的零部件无法通过其他传统的方式生产出来。目前这款3D打印的喷油嘴已成功地安装在了CFM LEAP飞机发动机中，这款发动机已经通过波音和空客的无数次飞行测试。图5-40为CFM LEAP飞机发动机及其3D打印的喷油嘴。

图5-40 CFM LEAP飞机发动机及其3D打印的喷油嘴

通过优化的设计方案和3D打印技术，GE不仅改善了喷油嘴容易过热和积炭的问题，还将喷油嘴的使用寿命提高了5倍，最终将提高GE公司生产的CFM LEAP发动机的性能。GE公司的该项应用将3D打印技术的价值提到了一个新的里程碑，不再局限于制造成本高低、生产速度快慢的讨论层面，而是包括发动机燃料效率提升在内的综合价值。GE公司全球研发中心副总裁兼技术总监Christine指出，燃料效率每提高一个百分点就能为航空业潜在节省数十亿美元。具有里程碑意义的3D打印喷油嘴，仅仅是GE增材制造战略的开始。GE计划到2025年，超过20%的零部件生产将应用3D打印技术。

3.航空铸件

精密熔模铸造是一种常用的近净成型制造工艺，可以做到铸造件的少无切削加工而直接使用。此种方法生产的铸件尺寸精度高（可达CT4～6级），表面质量好（Ra1.6～3.2µm）。精密熔模铸造尤其适合生产形状复杂及难切削金属材料构成的关键构件，可以显著提高金属材料的利用率，缩短产品制造周期，降低产品成本，提高企业竞争力。

航空领域中发动机上许多零件都是经过精密铸造来制造的，对于高精度的木模制作，传统工艺成本极高且制作时间也很长。采用SLA工艺，可以直接由CAD数字模型制作熔模铸造的母模，时间和成本显著降低。数小时之内，就可以由CAD数字模型得到成本较低、结构又十分复杂的用于熔模铸造的SLA快速原型母模。图5-41为基于SLA技术采用精密熔模铸造方法制造的某发动机的关键零件。图5-42a为3D打印的螺旋桨砂模剖面，图5-42b为螺旋桨铸造成品。

图5-41 基于SLA技术采用精密熔模铸造方法制造的某发动机的关键零件

图5-42 3D打印直接制作的螺旋桨砂模剖面及其铸造成品

4.零件修复

在飞机零件的加工过程中，常因各种原因形成的零件缺陷而导致报废，由于飞机关键零件对性能可靠性的要求极高，因此一般不允许修复使用。一些大型零件的价格昂贵，加工周期很长，通过3D打印技术，可以用同一材料将缺损部位修补成完整形状，修复后的性能不受影响，大大节约了时间和成本。激光直接沉积技术为航空航天、工模具等领域高附加值金属零部件的修复提供一种高性能、高柔性技术。由于工作环境恶劣，飞机结构件、发动机零部件、金属模具等高附加值零部件往往因磨损、高温气体冲刷烧蚀、高低周疲劳、外力破坏等因素导致局部破坏而失效。另外，零件制造过程中误加工、损伤是其被迫失效的另一重要原因。若这些零部件被迫报废，将使制造厂方蒙受巨大的经济损失。与传统热源修复技术相比，激光直接沉积技术因激光的能量可控性、位置可达性高等特点逐渐成为其关键修复技术。激光直接沉积技术对整体叶盘进行修复的过程如图5-43所示。图5-44为激光修复的航空发动机叶片。

图5-43 利用激光直接沉积技术修复叶盘的流程

图5-44 激光修复的航空发动机叶片

5.无人直升机机身制造

轻型无人直升机旋转翼系统的开发团队FLYING-CAM，联手意大利CRP集团的添加剂制造材料和激光烧结技术知名领导者摩德纳，开发了一个名为“SARAH”的自动直升机空中响应系统，如图5-45所示。这款轻型无人直升机FLYING-CAM的机身结构为复合型材料，是由CRP利用粉末激光烧结工艺成型的。这不仅为无人直升机提供了快速的响应时间，有效促进了生产的系列化，而且还为无人直升机提供了一个可以更容易定制的平台。此外，利用粉末激光烧结技术完成的无人直升机“SARAH”系统，前所未有地达到了厘米级精度的3D图像情报，灵活度和精度都有了质的提升。

航空航天领域希望获得质量轻、强度大（比强度高）的零件，目前正在研究符合要求的制造材料，制订材料及工艺标准，确保机器和构建零件的质量和一致性。据美国诺斯罗普·格鲁门公司预测，如果有合适的材料，该公司的军用飞机系统中将有1400个部件可以用3D打印技术来制造。各种3D打印的金属部件将在未来10年内成为飞行器的通用配置。

图5-45 利用粉末激光烧结工艺制造的轻型无人直升机

洛克希德公司在卫星制造中使用3D打印的部件。一些打印零部件已经安装在飞往木星的Juno飞船上。Juno飞船靠太阳能供电，已于2011年发射成功。洛克希德公司首席科学家Suraj Rawal说，Juno飞船上有十几个3D打印的托架。托架使用钛合金材料并通过被称为电子束熔融的3D打印工艺制造出来。

洛克希德公司计划将3D打印应用在其他航天器项目中，包括猎户座多功能乘员用车（Orion Multi-Purpose Crew Vehicle）。它们已经在着手制造某些零部件，包括一个直径为7in^[1]的前向托架盖。

前向托架盖是有史以来航空航天业打印的最大的零部件之一。虽然就目前而言只是一个原型，但Suraj Rawal正在考虑直接用3D打印将其制造出来。猎户座被设想为一台在外太空运送人类的车辆，人类可以乘坐它探索小行星、月球和火星。Suraj Rawal认为这种实验制造非常适合3D打印大显身手，且是一个非常安全的、高效的组件原型制造环境。洛克希德公司还正在考虑在最先进的F-35联合攻击战斗机上使用3D打印零部件。一些用钛合金做的小部件可以安装在F-35战机的机翼或尾翼上。