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航空航天：3D打印應用日趨成熟

2022-02-11

航空航天：3D打印應用日趨成熟

就目前來說3D打印機最大的幾個應用場景一般為，航天制造，汽車加工，零件驗證，軍工生產等，其中隨技術不同又分為FDM、光固化、SLM、SLS等技術，以適用于不同場景下的3D打印需求，而航空制造在3D打印中的應用最早市場份額也是獨占鰲頭，就拿西安鉑力特而言，其最大的幾個產品需求方均為中國航天企業，占整體營收的40%以上，并且隨著中國的航空技術不多發展，以及民用化航空企業的涌現，對于可以適用于航空生產、設計、驗證等環節中的3D打印產品又是一個不可多得的快速增長期。

3D 打印技術已成為提高航天器設計和制造能力的一項關鍵技術，主要應用于設計模具鑄造、功能性零部件制造、重要構件修復。近年來，由于航空航天構件對于材料的性能（如硬度、熔點等）要求較高，國內外 3D 打印技術的研究主要集中在形狀復雜的功能性金屬材料（包括金屬、合金和金屬基復合材料）方面。目前，航空發動機是 3D 打印重點應用領域，在一些技術較為成熟的國家，3D 打印也開始用于導彈、無人機以及衛星的零部件。

在模具鑄造方面，由于 3D 打印技術 SLS 熔模鑄造工藝無需制造蠟模壓型，縮短了鑄造用熔模的準備時間，具有速度快、成本低的優勢，十分適用于航空發動機復雜鑄件研制階段所需進行的反復鑄造工藝試驗。普惠公司采用 3D 打印生產了超過 10 萬件部件和原型件，包括鑄模、設備工具以及試驗臺架硬件等。普惠公司在 PW1100G 發動機的部件設計中，采用增材制造技術極大地減少了部件的研制時間以及原材料和成本的浪費，發動機單個零件的制造速度提高 4-8 倍，相比鍛造，部分零部件最多節約 90%的材料。

在設計驗證過程當中3D打印機可以極大的降低生產開模中的費用花費，提高整體的設計驗證效率，對于關鍵部件可以實現定時、定點的一對一定制更換，在整個加工環節有著重要地位。

在零部件制造方面，采用 3D 打印技術能夠減少大量零件的焊接組裝工作，同時能實現更復雜內部結構，提高零部件性能。GE 公司采用 3D 打印技術制作航空發動機的燃油噴射系統，其將傳統工藝的 20 片部件組裝或焊接的結構制造為一個部件，這種方法得到的制件具有接近鍛造的材料性能。而且 3D 打印工藝能夠避免產生變形和形成微裂紋，提高了燃油噴射系統壽命將近４倍，重量減輕 25%，研制成本進一步降低，預計能夠通過 50-100 個增材機械實現每年 40000 個噴嘴的產量，這一生產率將能夠確保每月 175 臺發動機交付量。

在修復制件方面，利用 3D 打印技術修復的航空發動機整體葉盤的高周疲勞性能優于原始材料。通過大量基礎技術研究工作，國外已經初步建立起整體葉盤的激光修復裝備、技術流程和相應數據庫，推動了整體葉盤激光修復技術的工程化應用，我國的相關科研機構也積極布局 3D 打印激光修復技術。德國弗朗恩霍夫協會與 MTU 公司合作利用激光修復技術修復鈦合金整體葉盤。下圖為 MTU 公司制定的整體葉盤修復過程流程圖。北京航空制造工程研究所采用激光修復技術修復了某鈦合金整體葉輪的加工超差，并成功通過了試車考核。

在航天領域，歐洲航天局(ESA)和瑞士 SWISS to 12 公司開發出專門為未來空間衛星設計的首個 3D 打印雙反射面天線原型，如圖所示，通過采用 3D 打印，不僅顯著增加天線的精度，還可降低成本，縮短交付時間，增加射頻設計的靈活性，最重要的是減輕部件質量。美國航空噴氣發動機洛克達因公司(AerojetＲocketdyne)完成首批“獵戶座”載人飛船 12 個噴管擴張段的 3D 打印任務，使為期 3 周的制造時間比傳統制造工藝技術縮短了約 40%。

法國泰勒斯·阿萊尼亞航天公司將歐洲最大的 3D 打印零件(遙測和指揮天線支撐結構，尺寸約 45cm×40cm×21cm)用于 Koreasat 5A 和 Koreasat 7 遠程通信衛星，如圖所示，通過 3D 打印實現了質量減輕 22%、成本節約 30%、生產周期縮短 1–2 個月。俄羅斯托木斯克理工大學 (TPU) 設計并制造的首枚外殼由 3D 打印的 CubeSat 納米衛星 Tomsk-TPU-120 于 2016 年 3 月底搭載進步 MS-02 太空貨運飛船被送往國際空間站。

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