3D打印技術（又稱增材製造技術）是信息網絡技術、先進材（cái）料技術與數字製造技術的密（mì）切結合，是先進製（zhì）造業的重要組成部分（fèn），其與信息網絡技術的深度融合，給各行各（gè）業發展帶（dài）來變革性影響。當前，3D打印技（jì）術持續發展，市場規模快速增長，在航空航（háng）天領域應用不斷擴（kuò）大。

 

3D打印技術（shù）持續發展，市場規模快速增長

 

3D打印（yìn）技術在技術方（fāng）法、製造平台、行業標準等（děng）方麵取（qǔ）得重要進展（zhǎn），在市場規（guī）模方麵保持快速增長態勢。

3D打印技術方法研究取得新進展    

 

 

連續液（yè）麵生長（CLIP）技術

 

美國是3D打印技術的發源地，擁有最前（qián）沿（yán）的3D打印技術，在3D打印方法創新方麵取（qǔ）得新的重大進展。2015年3月，美國Carbon 3D公司開發（fā）出一種（zhǒng）革命性3D打印技術——連續液（yè）麵生長（CLIP）技術，打印速度比傳統的3D打印技術（shù）快25~100倍，並且可製造出之前幾乎不可實現的超複雜幾（jǐ）何結（jié）構形狀，極大推進了3D打印技術的（de）應用。該技術通過在紫外線對光聚合的（de）觸發（fā）作（zuò）用以及氧氣對光聚合的抑製（zhì）作用中找到平衡，可（kě）連續作業，實現（xiàn）真正意（yì）義的3D打印。采（cǎi）用該技術打印成形的零件特征尺（chǐ）寸最小可小於20微米，比（bǐ）一張紙厚度的1/4還要（yào）薄。2016年1月，美國西北大學研究出新的金屬3D打印（yìn）方法——兩（liǎng）步法。該（gāi）方（fāng）法采用（yòng）一種由金屬粉末、溶劑和粘結劑（jì）組成的液態油墨材料，通過注射或擠（jǐ）壓工藝打印出坯體，之後在（zài）熔爐裏燒結。該方法能夠打印（yìn）金屬混合物、合（hé）金、金（jīn）屬（shǔ）氧化物等多（duō）種金屬，並使3D打印更快、更便宜、更均勻。

 

3D打印製造平台研究步伐加快    

 

3D打印（yìn）技術控製係統與（yǔ）平台建設是（shì）支持3D打印技術發展的重要基礎。美（měi）國3D係統公司是全（quán）球3D打印技術領導者，在美國空軍研究實（shí）驗室支持下，該公司將（jiāng）與霍尼韋爾公司、諾斯羅（luó）普·格魯曼公（gōng）司、洛克希（xī）德·馬丁公司等大型軍工企業共（gòng）同研發（fā）高精度閉環先進製造與監控平台，用於製造航空航天零（líng）部件，滿足飛行器（qì）在飛（fēi）行過程中精度高（gāo）、功能強、可重複使用的特定需求。

2015年11月，美國（guó）Arevo實驗室推出（chū）了機器人增材製造平台（tái）（RAM），用於超（chāo）強熱塑性複（fù）合材（cái）料零（líng）部件的快（kuài）速、高效3D打印。該平台將ABB機器人公（gōng）司的商用6軸（zhóu）機器人係統與熔融沉積成形技術、末端執行器硬件以及一套綜合的軟件（jiàn）套件（jiàn）集成在一起，實現對高性能碳纖維增強熱塑性複合材（cái）料零部件的3D打印。2016年2月（yuè），美國（guó）西亞基公司公布了基於電子束增材製造（EBAM）工藝的金屬3D打印係統專用的IRISS閉環控製（zhì）係統（tǒng）。IRISS是一種沉積層內部實時成（chéng）像和傳（chuán）感係統，具有實時（shí）監控（kòng）和處理數據（jù）的功能，為製造商在較大尺（chǐ）寸的金屬3D打印零（líng）部件的質量和性能控製方麵（miàn）提供支持。

 

3D打印行業標準化進一步完善（shàn）    

 

 

SME聯手（shǒu）TCT合辦2017年RAPID 3D打印展

技（jì）術標準（zhǔn）是3D打印行（háng）業發展必不可少的關鍵（jiàn）環節。隨著3D打印技術的興起，標準（zhǔn）管理部門和研究機構開始謀劃行業標準並（bìng）製定相關（guān）標準（zhǔn）。2015年7月，歐（ōu）盟的“增材製造標準化支（zhī）持行（háng）動（SASAM）”計劃發布（bù）了一（yī）份增材製造（zào）標準化路線圖。作（zuò）為歐洲（zhōu）標準的一個模板，該路線圖闡述了標準化（huà）對（duì）於產業應用及現有增（zēng）材製造技（jì）術標準發展的重（chóng）要性，明確了標準化與（yǔ）優先關注標準之間的差距。但由於標準研究機構之間缺乏統籌，導致3D打印相關標準在一致性方麵（miàn）出現問題。

為此，“美國製造”創新研究所（suǒ）與美國國家標準學會於2016年3月聯合成立一個跨部門協調機構——“美（měi）國製造（zào）與美國國家標準學會（huì）增材製造標準化協（xié）作機構”（AMSC），致力於協調並加速開發全行業的（de）、符合參與機構需求的增材製造標準與規（guī）範，促進增材製造企業健康發展。AMSC參與者主要來自私企、設備製（zhì）造商、材（cái）料供應商、政府、學術界、標準開發機構和認證（zhèng）機構等（děng）。

 

3D打印（yìn）市場保持快速（sù）增長態（tài）勢    

 

《沃勒斯報告（gào）2016》

2016年4月，增材製造行業的權威谘詢研究機構——美國沃（wò）勒斯協會公司發布《沃勒斯報告2016》。該報（bào）告指出，2015年全球增材製（zhì）造和3D打印（yìn）市場銷售額達（dá）到（dào）51.65億美元，比（bǐ）2014年增長了10億美元（yuán），增長率達（dá）到25.9%。同時，2015年3D打印行業的年複合增長率低於過去3年的33.8%，也比過去27年的平（píng）均年複合增長率26.2%稍低。

但是，盡（jìn）管2015年（nián）3D打（dǎ）印行（háng）業遭遇（yù）了一係列挑戰，但在多個領域出現了持續性增長，尤其是金屬3D打（dǎ）印和桌麵3D打印。2015年，全球共有62家工業級3D打印係統（售價超過5000美（měi）元）廠商，2014年這一數字為49家，2011年僅為31家。2015年，售價（jià）低於5000美元（yuán）的桌麵型3D打印機銷量超過27.8萬台，比2014年的16萬台高出74%。而金屬3D打印機的增長率約45%，增速迅猛。

 

3D打印在航空航天領域應用持續深化

 

隨著3D打（dǎ）印技術快速發展，政府、軍方等（děng）機（jī）構紛紛出台政策支持3D打印技術發展與應用，使3D打印技術在航空航天領域（yù）的應用更廣泛深入。

3D打印得到政府和軍方大力（lì）支持（chí），政策（cè）環境進一步優化    

 

美國國家增材製造創新機構（NAMII，現名“美國製造”）發布新版增材製造技術路線圖（tú）。2015年9月該（gāi）機構發布了新版美（měi）國“增材製（zhì）造技術路（lù）線圖”，將設計（jì）、材料、工藝、價值鏈和增材製造基因組等5個技術領域設定為關鍵技術領域，每個（gè）領域下設多個子領域，按照技術成熟（shú）度分別（bié）對每個領（lǐng）域2013年—2020年發（fā）展重點進行了規劃（huá）。上述這些領域是該（gāi）機構未來一段時期內提升增材製造（zào）技術與製造成熟度的發展重點，也是美國政（zhèng）府發展增材製造產業的重點。美國NAMII自成立以來（lái）為增材製造技術開發與應用提供（gòng）了三輪資金資助，總額超過2000萬美元。

 

DARPA“開（kāi）放式製造項目“。可以看到，在一個100倍顯微鏡下（xià），兩個使用同樣（yàng）材料3D打印（yìn）的部件（jiàn），差別相當大

美國國防高級研究計劃局（DARPA）實施“開放式製造項（xiàng）目”，推動3D打（dǎ）印成為國（guó）防製造領域的主流技術。2015年5月DARPA宣布實施“開放式製造項（xiàng）目”，旨在開發快速鑒定技（jì）術，從而（ér）全麵獲取、分析並監控（kòng）製（zhì）造過程，以預測最終產品的性能，確保產品所需的置信（xìn）度，可靠保證飛機機翼或軍事係統的複雜部件批生產。該項目主要研究方向之一是開展“快（kuài）速（sù）低（dī）成本增材料製造”研究，重點研究金屬增材製造過程。

美陸軍發布最新版《陸軍製造技術規劃報告》。2015年11月，美國陸軍發布（bù）2016財年《陸軍製造技術規劃報告》。報告簡要介紹了陸軍製造技術規劃的任務、組織機構、投資策略等，並從項目（mù）目標、實施方案、成果、效益、受影響的武器係統等方麵，對利用增材製造實現高價值航空資產修複/回收/再利用進（jìn）行了研究；對麵（miàn）向關鍵武器係統（tǒng）零部件（jiàn）直接製造、再製造及延壽的增（zēng）材製造技術等6大領域的31個正在實施的重點（diǎn）項目進行了分析。

 

3D打印應用範圍進一步擴展，由零部件擴（kuò）大到整機    

 

3D打印（yìn）技術已成為提高航天器設計和製造能力的一項關鍵技術，其在航（háng）空航（háng）天領域的應（yīng）用範圍不斷擴（kuò）展。國外企業和研究機構利用3D打印不僅打印出了飛機、導彈、衛星（xīng）、載人飛船的零部件，還打印（yìn）出了發動機、無人機、微衛星整機，在成本、周期、重量等方麵取得了顯著效益，充分顯示了（le）3D打印技術在該領域的應用前景。

在零部件級（jí）方麵，空客公司采用3D打印技術生產了超過1000個飛機零部件，其中（zhōng）用於（yú）A350XWB寬體飛機的艙體支架獲得“2014年德（dé）國（guó）工業創新（xīn）大獎”；美國空軍第552空中控製聯隊利用Fortus 400mc 3D打印機成功打印出飛機座椅扶手的（de）塑（sù）料端蓋，並首次獲得（dé）批準將其應用於E-3預（yù）警機，通過3D打印（yìn）實現該部件的單位成（chéng）本由（yóu）8美元降低至（zhì）2.5美元；美國Aerojet Rocketdyne公司利（lì）用3D打印製（zhì）造了首批12個（gè）“獵（liè）戶座”載人飛船噴管（guǎn）擴張段，製造時間比傳統製造工藝技術縮短了約40%；俄羅斯托木斯克理工大學（TPU）設計並製造的首枚外殼由3D打印的CubeSat納米衛星Tomsk-TPU-120於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；美國海（hǎi）軍在2016年（nián）3月進（jìn）行的（de）“三叉戟”II D5潛射彈道導彈第160次試射中成功（gōng）測試了首個使用3D打印的導彈部件——可保護導彈電纜接頭的連接器後蓋，使該零件的設（shè）計和製（zhì）造時間縮短了一半。

在整機級方（fāng）麵，美國太空探（tàn）索技術公司火箭實（shí）驗室發布了一台用於（yú）低成本太空旅行的3D打印世界首（shǒu）款電動火箭發動（dòng）機——Rutherford電動發射（shè）係統，采用（yòng）該係統可將火箭發射成本由傳統燃料火箭發射的（de）1億美元降至490萬美元；英國南安普頓大學利用增強型ABS塑料打印出了（le）一款成本僅為數（shù）千美元的小型（xíng）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（rén）機（jī），該無（wú）人機重3.8千克（kè），翼展為（wéi）2.4米，飛行速度（dù）可達100千米/小時，續（xù）航時間長達1.5小時（shí），從概念到原型僅花費兩個（gè）半月（yuè），生產時間（jiān）約為31小時，費用不到20萬盧布（約合3700美元）。

 

3D打印應（yīng）用深度進一步加大，趨向“前端部署”    

 

當前，隨（suí）著3D打印技（jì）術應用深度不斷（duàn）加大，圍（wéi）繞裝備維修與保障，在維修基地、空間站、戰場前沿（yán）等供應鏈“前端”部署3D打印的趨勢愈加明顯，這無疑將改變現有的裝備維修模式與保障體係。

一是在維修基地或裝備保障體係中增加（jiā）3D打印技術部署，一方（fāng）麵在國防預算日益吃緊的情況下推動成本節省的同時，還可以減少對由於國家之（zhī）間政治關係緊張時無法被本國使用的（de）國外零（líng）件的（de）依（yī）賴，即替代進口。例如，韓國（guó）空軍（jun1）利用3D打印技術製造其F-15K戰鬥機噴氣發動機的高壓渦輪機蓋板，將成本從4000萬韓元（3.4萬美元）減少（shǎo）到300萬韓元，采（cǎi）購時間比（bǐ）原來的60天（tiān）減少一半以上，還（hái）通過3D打印將（jiāng）歐洲製造的運輸機揚聲器罩的製造周期由（yóu）7個月減少至4~5小時，成本從621美元（yuán）降低至35美元。另一方（fāng）麵，還可打印老舊或已停產零部件，提高軍（jun1）事基地維護飛機的能力（lì）。例如，位（wèi）於美國俄克拉荷馬州Tinker空軍基地的（de）空軍後勤中心（OC-ALC）正在利用3D打印技術優化工作流程，通過3D打（dǎ）印飛機發動（dòng）機零部件和現代電子元器件，維護B-52戰機的戰（zhàn）鬥力。

二是在空間站應用3D打印技術，實現（xiàn）在太空3D打印製造，需將原材料運送至國際空間站按（àn）需打印。美國太（tài）空製造公司（sī）已開發出可在（zài）真空（kōng）環（huán）境中使用的3D打印機，並於2014年（nián）8月將其運送至國際空間（jiān）站，宇航員不僅打印了3D測試件，還打印了功能結構件。雖（suī）然太空3D打印技術在國際空間站外實際（jì）使用仍（réng）麵臨諸多挑戰（zhàn），包（bāo）括如（rú）何保證被打印的物體（tǐ）在太空中陽光直射下（xià）具有較長使用壽命，以及如何控製打印過程中溫度變化等問題，但仍引起了美國（guó）NASA的重視。

三是將3D打印技術部署在戰場前（qián）沿，實現直接在戰場上打印（yìn）零（líng）部（bù）件，刪減由再製造基地製造零部件，然後運送到倉庫，再安裝到某個組件裏或運送到戰場中使用的中間過程環節，達到在（zài）最需要零部件的地方直接準確地滿足所需的目的。目前，美國國防（fáng）後（hòu）勤局正委托後勤管理研究（jiū）所開展3D打印技術應用谘詢（xún），研究利用3D打印（yìn）技術縮短軍隊供應鏈，減少（shǎo）庫存，降低後勤保障成本。美國（guó）海（hǎi）軍已啟動“艦上打印”項目，開發零件打印、資格認證以及零件交付等一係列程序，評（píng）估可用於軍事（shì）用途的各種3D打印技術與材料，以達（dá）到在海上艦艇中製造飛機零部件的目標（biāo）。近年來，美軍已使用3D打印技術打印（yìn）出了油箱蓋、醫療用品等（děng）較為簡單（dān）的產品。

 

結（jié）束語

 

與傳統製造方式相（xiàng）比，3D打印技術不僅可大（dà）幅度降低生產成本，還突破了傳統製造工藝對於複（fù）雜（zá）形狀的限製，它帶來的是生產加工觀念的革命性轉變（biàn），對推動全（quán）球航空航天領域的發（fā）展起到了重要作用。同時，需要指（zhǐ）出的是，雖（suī）然3D打印技（jì）術具備快捷、方便、低（dī）成（chéng）本等顯著優勢，但仍麵臨著應用挑戰，如質量保證、知識產權、人員培訓、信息安全等問題。未來，3D打印技術在航空航天領域的應用（yòng）將（jiāng）是“漸進式”而非“革命性”。