淺析3D打印在航空航天領域4大發(fā)展優(yōu)勢，我國存在這4種差距！

來源：材料委

為第三次工業(yè)革命制造領域的典型代表技術，3D打印的發(fā)展時刻受到各界的廣泛關注。而金屬高性能增材制造技術(金屬3D打印技術)被行內專家視為3D打印領域高難度、高標準的發(fā)展分支，在工業(yè)制造中有著舉足輕重的地位。現如今，世界各國工業(yè)制造企業(yè)都在大力研發(fā)金屬增材制造技術，尤其是航空航天制造企業(yè)，更是不惜耗費大量財力、物力加大研發(fā)力度，以確保自己的技術領先優(yōu)勢。

3D打印在航空航天領域的發(fā)展優(yōu)勢
1. 縮短新型航空航天裝備的研發(fā)周期
航空航天技術是國防實力的象征，各國之間競爭異常激烈。因此各國都試圖以更快的速度研發(fā)出更新的武器，確保在國防領域處于不敗之地。而金屬3D打印技術讓高性能金屬零部件的制造流程大幅縮短，無需研發(fā)零件制造過程中使用的模具，極大地縮短產品研發(fā)制造周期。


2. 提高材料利用率、降低成本
航空航天制造領域多采用價格昂貴且較難加工的戰(zhàn)略材料，如鈦合金、鎳基高溫合金等金屬材料。傳統(tǒng)制造方法材料使用率低、機械加工程序復雜、生產周期長、成本高。3D打印技術可將材料的使用率普遍提升到60%，甚至高達90%以上，從而降低制造成本、節(jié)約原材料。

3. 優(yōu)化零件結構、增加使用壽命
對于航空航天、武器裝備而言，減輕重量是永恒不變的主題。波音737約重65公噸，若減重1磅（約0.45千克），每年則能為航空公司節(jié)省幾十萬美元。據GE航空白皮書所述，將此數字延伸到全球所有航空器和其節(jié)省的資金，將超過一千萬美元。

傳統(tǒng)制造方法已經將零件減重發(fā)揮到了極致，但3D打印技術的應用可以優(yōu)化復雜零部件的結構，在保證性能的前提下，將復雜結構變換成簡單結構，從而起到減輕重量的效果。3D打印技術通過優(yōu)化零件結構，使零件的應力呈現出最合理化的分布，減少疲勞裂紋產生的危險，從而增加使用壽命。


4. 修復零件、減少損失
目前，金屬3D打印技術在修復成型方面所表現出的潛力高于生產制造方面。以高性能整體渦輪葉盤零件為例，當某一葉片受損，整個渦輪葉盤將報廢，直接經濟損失高達百萬元。而使用3D打印技術在受損部位進行激光立體成型，就可以恢復零件形狀，且性能滿足使用要求，甚至是高于基材的使用性能。

我國發(fā)展差距淺析
目前我國從政府、科研、企業(yè)層面都對3D打印應用于航空航天領域給予高度重視，也取得了部分成就。但與國外發(fā)達國家相比，目前國內行業(yè)發(fā)展主要存在以下幾方面的問題：

1. 技術差距
技術上的差距如復雜薄壁精密零件結構-性能一體化制造技術，航空航天發(fā)動機葉片、渦輪等復雜精密零件的成形技術等，一定程度上制約了航空航天裝備技術水平的提高。

目前國內的3D打印企業(yè)普遍缺乏核心技術、生產效率低、材料種類缺失，因此很難實現產業(yè)化。我國3D打印在軍工應用的領域發(fā)展最為先進，如部分復雜合金零部件成形等，但產業(yè)化進程緩慢。

2. 材料差距
材料上的差距主要體現在國內材料種類不全、質量良莠不齊。3D打印金屬粉末質量與國外存在一定差距，高分子材料（PEEK和PAEK等）和陶瓷材料種類缺失、體系不全。目前國內多數的廠家可以生產幾十微米到幾百微米的金屬顆粒，但這種顆粒國內生產的品質與國外仍有較大差距。

在“中國制造2025”戰(zhàn)略規(guī)劃中，前沿材料中就包含3D打印材料，研究方向主要集中在金屬球形粉末成形與制備技術；突破高轉速旋轉電極制粉、氣霧化制粉裝備；開發(fā)空心粉率低、顆粒形狀規(guī)則、粒度均勻、雜質含量低的高品質鈦合金、高溫合金、鋁合金等金屬粉末；研究氧化鋁、氧化鋯、碳化硅等陶瓷粉末、片材制備方法；建立生物3D打印體系；開發(fā)“3D打印友好型”生物墨水。


3. 設備差距
目前國外的3D打印設備無論是桌面級還是工業(yè)級的價格相對都比較高；國內的一些設備雖然價格較低但質量難以保證。同時設備的精度以及生產效率等方面還需要進一步的優(yōu)化，這也是阻礙產業(yè)化的主要問題。

我國雖已有一些企業(yè)能自主制造3D打印設備，但企業(yè)規(guī)模普遍較小，研發(fā)力量不足。在加工流程穩(wěn)定性、工件支撐材料生成和處理、部分特種材料的制備技術等環(huán)節(jié)，存在較大缺陷，難以完全滿足產品制造的需求。

而占據3D打印產業(yè)主導地位的美國3Dsystems、Stratasys等公司，每年都投入千萬級美元研發(fā)新技術，研發(fā)投入占銷售收入的10％左右。兩家公司不僅研發(fā)設備、材料和軟件，還通過簽約開發(fā)、直接購買等方式獲得大量來自企業(yè)外部的相關細分技術、專利，掌握大量關鍵核心技術。

此外，3D打印的核心是數字化驅動。目前，我國3D打印的數字化程度還不高，軟件高度依賴國外。未來發(fā)展中，應重視3D打印流程中相關的軟件設計、數控能力等軟實力。

圖片來源：深藍航天

4. 宏觀差距
3D打印產業(yè)上游包括材料技術、控制技術、光機電技術、軟件技術，中游是立足于信息技術的數字化平臺的3D打印解決方案，下游涉及國防科工、航空航天等行業(yè)，其發(fā)展將深刻影響先進制造業(yè)、工業(yè)設計業(yè)、生產性服務業(yè)、文化創(chuàng)意業(yè)、電子商務業(yè)及制造業(yè)信息化工程。

由于3D打印行業(yè)技術門檻較高，上中下游所用核心技術涉及材料學、計算機學、機械設計等多學科多領域，屬于技術綜合性較強的領域，需要我國科研、企業(yè)等多方協(xié)力配合提升我國3D打印綜合實力。同時，在我國制造業(yè)轉型升級中，3D打印逐步代替了很多傳統(tǒng)工藝，發(fā)揮的作用逐步增大，其造成的差距也會在下游終端應用產品的性能和價格方面被放大。