3D打印技術（shù）（又稱增材製造技術）是信息網絡技術、先進材料技（jì）術與（yǔ）數字製造（zào）技術的（de）密切（qiē）結合，是先進製造（zào）業（yè）的重要組成部分，其與信息網絡技術的深度融合，給各行各業發展帶來變革性影響。當前，3D打印技術（shù）持續發展，市場規（guī）模快速增長，在航空航天領（lǐng）域應用不斷擴大。

 

3D打印技術持續發展，市場規模快速增長

 

3D打印技術在技術方法（fǎ）、製造平台、行業標（biāo）準等方麵取得重要進展，在（zài）市場規模方麵保持快（kuài）速增長態勢。

3D打印技術方法研究取得新進展    

 

 

連（lián）續液（yè）麵生長（CLIP）技術

 

美國（guó）是3D打（dǎ）印技術的發源（yuán）地，擁有最前沿的3D打印技術，在3D打印方法創新方麵取得新的重大進（jìn）展。2015年3月，美國Carbon 3D公司開發出一種革命性3D打印技術——連續液麵生長（CLIP）技術，打印（yìn）速度比傳統的3D打印技術快25~100倍（bèi），並且可製造出之前幾乎不可實現的（de）超複雜（zá）幾何結構形（xíng）狀，極（jí）大推（tuī）進（jìn）了3D打印技（jì）術的應用。該技術通過在紫外線對光聚合（hé）的觸發作用以及氧氣對光（guāng）聚合的抑製作用（yòng）中找到平衡，可連續作業（yè），實現真正意（yì）義的3D打（dǎ）印。采用該技（jì）術打印成形的零件特征尺寸最小可（kě）小於20微米（mǐ），比一張紙厚度（dù）的1/4還要薄。2016年1月，美國西（xī）北大學研究出新的金屬3D打印方法——兩步法。該（gāi）方法采用一種由金屬粉末、溶劑和粘結劑組成的液態油墨材料，通過注射或（huò）擠壓工（gōng）藝打印出坯體，之（zhī）後在熔（róng）爐裏燒結。該方法能夠打印金屬混合物、合（hé）金（jīn）、金屬氧（yǎng）化物等多種金屬，並使3D打印更快、更便宜、更均勻。

 

3D打印製造平（píng）台研（yán）究步伐加快（kuài）    

 

3D打印技術控製係統與（yǔ）平台建設是支（zhī）持3D打印技（jì）術發展的重要基礎。美國3D係統公司是全球（qiú）3D打印技術領（lǐng）導者，在美國空軍研究實驗室支持下，該公司將與霍尼韋爾公司、諾斯羅普（pǔ）·格魯曼公司、洛克希德·馬丁（dīng）公司等大型軍工企業（yè）共同研發高精度閉（bì）環先（xiān）進製造與監控平台，用於製造航空（kōng）航天零（líng）部（bù）件，滿足飛行器在飛行過程中精度高（gāo）、功能強、可（kě）重複使用的特定需求。

2015年11月，美國Arevo實驗室（shì）推出了（le）機器（qì）人增材製造平台（RAM），用於（yú）超強熱塑（sù）性複合材料（liào）零部件（jiàn）的快速、高效3D打印。該平台將ABB機器（qì）人公司的商用6軸機器人係統與熔融沉積成形技術、末端執行器（qì）硬件以及一套綜合的軟件套（tào）件集成在一起，實現對高性能碳（tàn）纖（xiān）維增強熱塑（sù）性複合材料零部件的（de）3D打印。2016年2月（yuè），美國（guó）西亞基公（gōng）司公布了基於電子束增材製造（EBAM）工藝（yì）的金屬3D打印係統（tǒng）專用的IRISS閉環控製係統。IRISS是一種沉積層內部實時成像和傳感係統，具有實時監控和處理數據的功能（néng），為製造商在（zài）較大尺寸的金屬3D打印零部件的質量和性能控製方麵提供支持（chí）。

 

3D打印行業標準化進一步完善    

 

 

SME聯手TCT合辦2017年RAPID 3D打印展

技術標準是3D打印行業發展必不可少的關（guān）鍵環節。隨著3D打印技術的興起，標（biāo）準管理部門和研究機（jī）構（gòu）開始謀劃行業標準並製定相關標準。2015年（nián）7月，歐盟的“增材製造標準（zhǔn）化支持行動（SASAM）”計劃發布了一份增（zēng）材（cái）製造標準化路線圖。作為歐洲標準的一個模板，該路（lù）線圖闡述了（le）標準（zhǔn）化對於產業應用及（jí）現有增材製造技術標準發展的重要性，明確（què）了標準化與優先關注標準之間的差距。但由於標準研究機（jī）構之間缺（quē）乏（fá）統籌，導致3D打印相關標準在（zài）一致性方麵出現問題。

為此，“美國（guó）製造”創新研究所與美國國家標準學會於2016年3月聯合（hé）成立一個（gè）跨部門協調機（jī）構——“美（měi）國製造與美國國家標準學會增材製造（zào）標（biāo）準化協作機構”（AMSC），致力於協調並加速開發全行業的、符合參（cān）與機構需求的增材製造標準與規範（fàn），促進增材製造企業健康發展。AMSC參與者主要（yào）來自私企、設備製造商、材料供應商、政府、學（xué）術界（jiè）、標準開發機（jī）構和認證機構等。

 

3D打印市場保持快速增（zēng）長態勢    

 

《沃勒斯（sī）報告2016》

2016年4月，增材製造行業的權威谘詢研究機構——美國沃勒斯協會（huì）公司發布《沃勒斯報告2016》。該（gāi）報告指出，2015年全球增材製造和3D打印市場銷售額達到51.65億美元（yuán），比2014年增長了10億美元，增長率達到25.9%。同時，2015年3D打印行業的年複合增長率低（dī）於過去（qù）3年的33.8%，也比過去27年的平均年複合增（zēng）長率26.2%稍低。

但是，盡管2015年3D打印行業遭遇了一係列挑（tiāo）戰，但（dàn）在多個（gè）領域出現了持續性（xìng）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（tǒng）（售價超（chāo）過（guò）5000美元）廠商，2014年這一數字為49家，2011年僅為31家。2015年，售價低於5000美（měi）元的桌麵型3D打（dǎ）印機銷量（liàng）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打印技術快速發展，政府、軍方等機構紛紛出台政策（cè）支（zhī）持3D打（dǎ）印技術發展與應用，使3D打（dǎ）印技術在航空航天領域的應用更（gèng）廣泛深入（rù）。

3D打印得到政府和軍方大（dà）力（lì）支持，政策環境進一步（bù）優化    

 

美國國家增材（cái）製造（zào）創新機構（NAMII，現（xiàn）名“美國製造”）發布新版增材製造技術路（lù）線圖。2015年9月該機構發布了新版美國“增材製造技術路線圖”，將設計、材料、工藝、價值（zhí）鏈和增（zēng）材製造基因組等5個技術領域設定為關鍵技術領域，每個領域（yù）下設多個子領域，按照技術成熟度分別對每個領域2013年—2020年發展重點進行了規劃。上述（shù）這些領域是該機構未（wèi）來一段時期內提升增材製造技術與（yǔ）製造成熟（shú）度的發展重點，也是美國政府發展增材製造產業的重（chóng）點。美國NAMII自成立以來為增（zēng）材製造技術開發與應用提供了三輪資金資助，總額（é）超過2000萬美元。

 

DARPA“開放式製造項目“。可以看到，在一個100倍顯微鏡下，兩個使用同樣材（cái）料3D打印（yìn）的部件，差別（bié）相當大

美國國防（fáng）高級研究計劃局（DARPA）實施“開放式製造項目”，推動3D打印成為國防製造領域的主流技術。2015年5月DARPA宣（xuān）布實施“開放式製造項目”，旨在開發快速鑒（jiàn）定技術，從而全麵獲取、分析並監控製造過程，以（yǐ）預測最終產品的性能，確保產品所需的置信度，可靠保證飛機機翼或軍事係統的複雜部件批生產（chǎn）。該項目主要研究方向之一是開展“快速低成本增材料製造”研究，重點研究金屬（shǔ）增材製造過程。

美陸軍發布最新版《陸軍（jun1）製（zhì）造技術規劃報告》。2015年（nián）11月，美國陸軍發布2016財年《陸（lù）軍製造（zào）技術規劃報（bào）告》。報（bào）告簡要介紹了陸軍製造（zào）技術規劃的（de）任（rèn）務、組織（zhī）機構、投資策略等，並從項目目標、實施方案、成果、效益（yì）、受影響（xiǎng）的武器係統等方麵（miàn），對（duì）利用增材製造實現高價值航空資產修複/回收/再利用進行了（le）研究（jiū）；對麵向（xiàng）關（guān）鍵武器係統零部件（jiàn）直接製造、再製造及延壽的增（zēng）材製造技術等6大（dà）領域的31個正在（zài）實施的重點項目進行了分析。

 

3D打印應用範圍進一步擴展，由零部件擴大（dà）到整機    

 

3D打印技術已成為（wéi）提高航天器設計和製造能力的一項關鍵技術，其（qí）在航空航天領域的應用範圍不斷擴（kuò）展。國外企業（yè）和研究機構利用3D打印不（bú）僅打印出（chū）了飛機、導彈、衛星、載人飛船的零（líng）部件，還（hái）打（dǎ）印出了發動機、無人機、微衛星整機，在成本、周期、重量（liàng）等方麵（miàn）取得了顯著效益（yì），充分顯示了3D打印技術在該領域的應（yīng）用（yòng）前景。

在零部件級（jí）方麵（miàn），空客公司采用3D打印技術（shù）生產了超過1000個飛機零部件，其中用於A350XWB寬體（tǐ）飛機（jī）的艙體支架獲得“2014年德國工業（yè）創新大獎”；美國空軍第552空中（zhōng）控製聯隊利用Fortus 400mc 3D打印機成功打印出（chū）飛機座椅扶手的塑料端蓋，並首次獲得批（pī）準（zhǔn）將其（qí）應用於E-3預（yù）警機，通過3D打印實現該部件的單位成本由8美元降低至（zhì）2.5美元；美國Aerojet Rocketdyne公司利用3D打印製造了首批12個“獵戶座”載人飛船噴管擴張段，製造時間比傳統製造工（gōng）藝技（jì）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（wài）殼由3D打印的CubeSat納米（mǐ）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（jì）空間站；美國海軍在2016年3月進（jìn）行的“三叉戟”II D5潛射彈道導（dǎo）彈第160次試射（shè）中成功測試了（le）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（de）設計和製造時間縮短了一半。

在整機（jī）級方麵，美國太（tài）空（kōng）探索技術公司火箭實驗室發布了一台用於（yú）低成本太空旅行（háng）的3D打印世界（jiè）首款電動火箭發動機——Rutherford電動發射係統，采用該係統可將火箭發射成本由傳統燃料火箭發（fā）射的（de）1億美元降至490萬美元；英國南安（ān）普頓大學利用增強（qiáng）型ABS塑料打印出了（le）一款成本（běn）僅為數千美元的小型無人機（Sulsa），俄羅斯Rostec公司也推出3D打印的（de）多用途兩棲無人（rén）機，該無人機重3.8千克，翼展為2.4米，飛行（háng）速度（dù）可達（dá）100千米/小時，續航時間長達1.5小（xiǎo）時，從概念到原型僅（jǐn）花費兩個半月，生產（chǎn）時間約為31小時（shí），費用不到20萬盧布（約合3700美元）。

 

3D打印應用深度（dù）進一步加大，趨向“前端部署”    

 

當前（qián），隨著3D打（dǎ）印技術應（yīng）用深度不斷加大，圍繞裝備（bèi）維修與保障，在（zài）維修基地、空間站、戰場（chǎng）前沿等供應鏈“前端”部署3D打印的趨勢愈加明顯，這無疑將改變（biàn）現有的裝備維修模式與保障體係（xì）。

一是在維修基地或裝備保障體係中增加3D打印技術部署，一方麵在國防預算日益吃緊的情況下推動成本節省（shěng）的同時，還可（kě）以減少對由於（yú）國家之間政治（zhì）關係緊張時無法被本國使用的國外零件的依賴，即替代進口（kǒu）。例如（rú），韓國空軍利用3D打印技術製造其F-15K戰鬥機噴氣發動機的（de）高壓渦輪（lún）機蓋板，將成本從（cóng）4000萬韓元（3.4萬美元）減少到300萬韓元，采購時間比原來的60天減少（shǎo）一半以上，還通過3D打印將歐洲製造的運輸機揚聲器罩的製造周期由7個月減少（shǎo）至4~5小時，成本從621美元降（jiàng）低至35美元。另一方麵，還可打印老（lǎo）舊或已停產零部（bù）件，提高軍事基地維護飛機（jī）的能力。例如，位於美國（guó）俄克拉荷馬州Tinker空軍基地的空軍後勤中心（OC-ALC）正在利用3D打印技術優化工（gōng）作流（liú）程，通過3D打印飛機發動機零部件和現代電子元器件，維護B-52戰機（jī）的戰鬥力。

二是在空間站應用3D打印技術（shù），實現在太空3D打印製（zhì）造，需將原材料運送至國際（jì）空間站按需打印。美國太空製（zhì）造公司已開發出可在真空環境中（zhōng）使用的3D打印機，並於2014年8月將其（qí）運送至國際空間（jiān）站，宇航員不僅打印了3D測試件，還（hái）打印了功能結（jié）構件。雖然太空3D打印技術在國際（jì）空間站外（wài）實際使用仍麵臨諸多挑戰，包括（kuò）如何保證（zhèng）被打印的物體在太空中陽光直射（shè）下具有較長使（shǐ）用壽命，以及如何控製打印過程（chéng）中溫度變化等（děng）問題，但仍引起了美國NASA的重（chóng）視。

三是將3D打印技術部署在戰場前沿，實現直接在戰場上打印零部件，刪減由再（zài）製造基地製造零部件，然後運（yùn）送到倉庫，再安裝（zhuāng）到某個組件裏或運送到戰場中使用的中間過程環節，達到在最需（xū）要零部件的（de）地方（fāng）直接準確地滿（mǎn）足（zú）所需的目的。目前，美國國防後勤局（jú）正委托後勤管理研究（jiū）所開展3D打印（yìn）技術（shù）應用谘（zī）詢，研（yán）究利用3D打印技術縮短軍隊供應鏈，減少庫（kù）存，降低後勤保障（zhàng）成本（běn）。美國海軍已啟動“艦上打印（yìn）”項目，開發零件打印、資格認證以及（jí）零件（jiàn）交付等一係（xì）列程序，評估可用於軍事（shì）用途的（de）各種3D打印技（jì）術與材料，以達到在海上艦艇中製造飛機零（líng）部件的目標。近年來（lái），美（měi）軍已使（shǐ）用3D打印技術打印出了油箱蓋、醫療用品（pǐn）等較（jiào）為簡單（dān）的產品。

 

結束語

 

與傳（chuán）統製造方式相比，3D打印技（jì）術不僅可大幅（fú）度降低生產成本（běn），還突破了傳統（tǒng）製（zhì）造工藝對（duì）於複雜形狀的限製，它帶來的是生產加工（gōng）觀（guān）念的革命性轉變，對推動全球航空航天領域（yù）的發展起到了重要作用。同時（shí），需要指出的是，雖然3D打（dǎ）印技術具（jù）備快（kuài）捷、方便、低成本等顯著（zhe）優（yōu）勢，但（dàn）仍麵臨（lín）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將是“漸進式（shì）”而非“革（gé）命性”。