3D打印技術(shù)是在上世紀70年代末期開始出現(xiàn)，主要應用于產(chǎn)品研制階段的“快速原型”和生產(chǎn)階段的“快速制造”。3D打印技術(shù)與曾經(jīng)應用于工業(yè)生產(chǎn)的堆焊工藝方法相似，之所以稱為3D打印，就是在成型工藝上采用CAD和計算機3D模型數(shù)據(jù)，將兩維基材通過不同融合方式組合成三維結(jié)構(gòu)。用在航空生產(chǎn)上的工藝方法主要有激光近凈成形技術(shù)(LENS)、激光選區(qū)熔化技術(shù)(SLM)及電子束選區(qū)熔化技術(shù)(EBSM)。
世界上第一架采用噴氣動力的3D打印無人機
3D打印復雜框類結(jié)構(gòu)毛坯的減重效果比較明顯，如F-22最大面積鍛造結(jié)構(gòu)框的毛坯重量為2790千克，毛坯加工后的凈重量只有144千克，材料去除比例達到了95%!如果按照已經(jīng)能夠驗證的工藝要求制造盤形復雜結(jié)構(gòu)零件，鍛造工藝無法直接制成細節(jié)結(jié)構(gòu)，材料利用率只有毛坯重量的約10%。鑄造則可以完成部分細節(jié)的粗略成型，毛坯實際利用率可達到總重量的20%~25%。3D打印可以直接制成與成品接近的外形，考慮到外表加工工藝和材料品質(zhì)要求，成品零件可以達到毛坯總重的60%~70%，材料利用率和機加工效率都有很大提高。
相對的，鑄造成型模具的再利用效果比較好，成品芯型能進行批量毛坯的制造。鍛造的鍛壓模具成本雖然很高，工藝設備標準要求也高，但鍛造也有利于進行批次生產(chǎn)毛坯的成型。3D打印采用增材制造的工藝手段，無論只制造1個還是批制造100個，單件的生產(chǎn)時間和成本均沒有任何差異，零件的成型工藝要求和品質(zhì)控制則更為嚴格。
3D打印與其它制坯方式的對比
現(xiàn)階段3D打印技術(shù)的航空應用主要集中在金屬結(jié)構(gòu)，以坯材成型加工難度大的鈦合金和合金鋼為主，加工難度低的鋁材則更適合采用鍛鑄方式成型。3D打印航空零件的應用已比較廣泛。國外用于F-22的3D成型TC4接頭已經(jīng)達到2倍設計疲勞壽命，F(xiàn)/A-18的翼根吊架結(jié)構(gòu)強度達到設計要求的225%，疲勞壽命也達到4倍設計要求，C-17等型號的進氣道附件也都開始批量應用3D打印，部分3D打印件已能在現(xiàn)有機型制造中替代鈑金和精鑄件。
中國在航空3D打印方面取得了很大的成績，已有多個型號應用3D打印的承力結(jié)構(gòu)，達到了縮短制造周期和簡化工藝的效果，對產(chǎn)品減重的作用也比較明顯，宣傳資料中甚至有過減重40%的說法。國內(nèi)很多軍迷僅根據(jù)這個40%和類似說法，就對航空結(jié)構(gòu)減重抱有很大希望，而這個40%雖然理論上存在可能，但要受到非常嚴格的條件和應用限制。
SLM制成品的尺寸精度較高，但成型體結(jié)構(gòu)密度控制效果不好，難以承受高載荷的結(jié)構(gòu)效應，承力結(jié)構(gòu)的3D打印主要采用的是LENS。按照已經(jīng)公開的3D打印整體框架坯材外形對比，3D打印件毛坯重量大致只有鍛造的15%，這是3D打印的技術(shù)優(yōu)勢，但坯材減重比并不代表最終制成品的重量對比。飛機的整體結(jié)構(gòu)框架的設計要考慮到輕巧、堅固，以及工藝和成品機械/理化性能的一致性，結(jié)構(gòu)設計必須嚴格滿足標準化的要求，不同機型類似結(jié)構(gòu)的設計并沒有大的差異。
展覽上公開的3D打印承力框架制成品，結(jié)構(gòu)設計與鍛造框架并沒有任何差別，區(qū)別僅體現(xiàn)在毛坯成型的工藝方式。3D打印的LENS和SLM工藝均已比較成熟，無論是采用激光還是電子束作為能量源，無論是使用粉材還是絲材作為基材，材料本身的理化條件并不會因為加工方式不同而變化。按現(xiàn)有技術(shù)，近凈成型燒結(jié)的材料理論密度比鍛造低近1%，選區(qū)熔化方式成型的粉末材質(zhì)密度相對較小，與鍛造件的密度差別也在3%以內(nèi)，工藝實現(xiàn)條件越好材料密度差異就越小。
無論采用什么樣的3D成型方式，同樣零件的材料性能如果沒有大的差別，零件的制成品重量就不會存在明顯的差別。所以說，3D打印坯材加工方式取得的減重效應非常有限，考慮到目前3D打印的材料性能還不夠完善，相比成熟的鍛造結(jié)構(gòu)容限保險設計更多，同樣設計結(jié)構(gòu)件的凈重甚至還要重些。
按照已公開的數(shù)據(jù)看，3D打印鈦合金零件的成品件，抗拉強度和硬度已達到鍛件的標準，但疲勞壽命和裂紋容限受工藝影響較大，未來相當時間里還缺乏全面替代鍛造的條件。美國飛機制造中大量應用整體鍛造框架，對高風險的3D打印的應用不夠積極，就是考慮到了制成品壽命和質(zhì)量控制困難的因素。中國在新機制造上應用3D打印承力結(jié)構(gòu)的同時，還投入很大資金和技術(shù)力量開發(fā)大型鍛壓機，也是因3D打印無法解決大型制造成品的批生產(chǎn)要求。3D打印與鍛/鑄造各有優(yōu)勢，只要航空設計和生產(chǎn)體系還基于傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)，鍛/鑄和軋壓仍將是主要工藝成型手段，3D打印的結(jié)構(gòu)減重效應就很難得到體現(xiàn)。
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