3D打印技术在航空领域中的应用

3D打印技术在航空领域中的应用摘要:本文分析了国内外3D打印技术的研究现状和几种快速成形技术的使用方法及其工作原理，介绍了3D打印技术在国内外航空领域中的研究状况和实际应用情况。关键词:3D打印快速成形技术制造业3D打印技术是一种先进的、革命的加工制造技术已经正在快速改变传统的生产加工方式和生活方式,美、德等发达国家非常重视该技术，并积极推广。从3D计算机辅助设计(3DCAD)开始，人们希望能够将设计结果直接转化为实物。3D打印技术将以其革命性的“大幅节省原材料”和“制造灵活性”在加工制造领域掀起一场革命。它适合于小批量、结构复杂、多品种、原材料价值高的机械加工制造，因此在航空制造领域，它将会得到更加广泛的应用。13D打印技术的研究现状[1〜3]3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或开模,依据计算机中存储数据直接打印生成任意形状的物体，极大地缩短了产品的研制周期和加工周期。3D打印技术(3Dprinting)是快速成型技术(RapidPrototyping,RP)的一种，它以数学模型为基础，运用塑料或金属粉末等可粘性材料，通过逐层打印的方式来加工制造产品的技术。采用计算机辅助设计、激光扫描、材料熔融等一系列技术，通过3D打印机，以迭加成形、分层加工的方式逐层增加材料来打印生成所需物品。快速成型技术使用方法有很多种，主要包括分层实体制造(LaminatedObjectManufacturing,LOM)、光固化立体成形(StereoLithographyApparatus,SLA),还有直接制造金属功能零件的快速成型方法有:选区激光熔化(SelectiveLaserMelting,SLM)、电子束选区熔化(ElectronBeamSelectiveMelting,EBSM)等。1.1分层实体制造供料机构将底面涂有热熔胶的箔材一段段地送至工作台的上方。按照计算机提取的横截面轮廓，激光切割系统用CO2激光束对箔材沿轮廓线将工作台上的纸割出轮廓线，并将纸的无轮廓区切割成小碎片。工作原理见图1。1.2光固化立体成形20世纪80年代后期,美国3DSystems公司率先推出了光固化立体成形技术。该技术是在液槽中盛满液态光敏树脂，通过激光束照射液态光敏树脂使其迅速固化，然后工作台下降一层薄片的高度，开始第二层激光扫描并固化，如此循环往复，直至产品打印成形完毕,工作原理见图2。SLA具有打印模型尺寸大、打印速度快、可选择材料广泛、打印精度高等优点。选区激光熔化成型原理与选区激光烧结有点类似。其成型材料多为单一组分金属粉末，包括钛基合金、镍基合金、奥氏体不锈钢、钻-铬合金和贵重金属等。通过激光束快速熔化金属粉末生成连续的熔道,可以直接获得任意形状、具有完全冶金结合、高精度的近乎致密的金属零件，该技术未来发展前景广阔。其应用范围已扩展到微电子、医疗、航空航天、珠宝首饰等行业。1.4电子束选区熔化在20世纪90年代中期，电子束选区熔化技术是那时发展起来的金属零件3D打印技术中的一种，其与选区激光熔化技术的差别主要是热源不同，而在技术原理上基本相同。与以激光为能量源的金属零件打印技术相比,其具有能量利用率高、功率密度高、无反射等等许多优点。在3D打印技术的数十几种方法中，该技术因其能够直接成型生成金属零部件而受到人们的关注和喜爱。23D打印在航空领域中的应用2.1国外航空应用情况[2,4]美国Sciaky公司在2013年1月4日宣布，他们已成功掌握了的直接制造的关键技术，即用电子束进行钛合金的3D打印。美国空军和洛克希德•马丁公司已经宣布将与Sciaky公司进行合作。在F-35战斗机生产过程中，将使用该公司生产的襟副翼翼梁装备F-35战斗机。相比传统生产加工方式，这一新技术生产制造成本更低、寿命也更长。如果未来几千多架战机均使用该技术制造金属零部件，那么将可以降低数十亿美元的生产成本。利用3D打印技术，波音公司已经打印制造了约三百多种不同的飞机零部件，其中包括将冷空气导入电子设备的形状复杂导管。目前,波音公司和霍尼韦尔正在研究利用3D打印技术打印机翼等更大型的产品。在2012年11月20日，通用航空收购了一家名为MorrisTechnologies的3D打印企业，计划利用后者的3D打印技术打印LEAP发动机组件。通用把这次收购看作是对新制造技术的一种投资，并认为如果具备处理新兴材料与复杂设计的工艺制造开发能力，对通用的未来尤其重要。2.2国内航空应用情况[2,5]通过采用钛合金激光3D打印技术，西北工业大学已生产了长度为5m的飞机主承力梁。而中航相关的3D激光打印技术也可以打印4mx3mx2m的零件，虽然在长度上不如美国，但在面积上仍然领先关国。西北工业大学与中国商用飞机有限公司合作，利用激光立体成形技术解决了C919飞机钛合金结构件的制造问题。国产大飞机C919中央翼缘条长达3米，是大型钛合金结构件,作为机翼的关键部件，以我国现有制造能力根本无法满足制造要求，如果向国外采购，势必会影响到大飞机的国产化率。虽然激光立体成形制造成本与国外锻压制造成本差不多，但是重要的是形成了具有自主知识产权的特色新技术。这项技术在航空航天发动机等关键部件的制造上也得到了很好运用。2000年前后，中航重机激光技术团队开始着手进行“3D激光焊接快速成形技术”研发工作。目前，中航重机激光产品已成功在我国多款新型军用飞机上装备应用。除了军用飞机，中航重机激光产品还在不断开拓大型水面水下舰艇市场。3结语随着社会的不断发展和科学技术的进步,3D打印技术将极大地改变已有的传统加工制造业，它将在更加广泛的领域中得到应用，如航空,航天和船舶制造等领域。由于3D打印技术不受传统工艺和制造资源的制约,其大大降低了研制成本，缩短了研发周期，提高了我国军民产品的制造加工能力。未来，成熟的3D打印技术将在航空航天等领域得到更为广泛的应用。参考文献[1]杨永强，刘洋,等.金属零件3D打印技术现状及研究进展[J].机电工程技术,2013,42(4).⑵杨恩泉.3D打印技术对航空制造业发展的影响[J].航空科学技