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3D打印有望在航空航天領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用

2022-02-14

航空航天的低價(jià)格敏感度與 3D 打印的獨(dú)有制造優(yōu)勢(shì)相輔相成。一方面，航空航天領(lǐng)域特別注重產(chǎn)品的性能，尤其是軍用領(lǐng)域很多時(shí)候?yàn)榱双@得更高的性能不計(jì)成本，較低的價(jià)格敏感度為 3D 打印在航空航天的大規(guī)模應(yīng)用打開(kāi)了空間。另一方面，“輕量化”、“高強(qiáng)度”以及“復(fù)雜零件集成化”一直是航空航天零部件制造和研發(fā)的主要目標(biāo)，3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)使得傳統(tǒng)制造工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)成為了可能，反過(guò)來(lái)促進(jìn)了航空航天行業(yè)的發(fā)展。我們認(rèn)為，航空航天與 3D 打印行業(yè)再未來(lái)將擁有更佳多樣化的發(fā)展方向。

航空企業(yè)由于其產(chǎn)品的特殊性，其設(shè)備制造材料、工時(shí)消耗都需要花費(fèi)巨大成本，而3D打印技術(shù)可以有效的降低高耗材料，提高設(shè)計(jì)效率，減少零件使用，提升結(jié)構(gòu)整體化，而航空航天行業(yè)普遍存在追求高性能，對(duì)價(jià)格敏感度不強(qiáng)，可以比其他制造行業(yè)更早的實(shí)現(xiàn)廣泛的3d打印生產(chǎn)作業(yè)。

3D 打印在航空航天領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并減重。相對(duì)于傳統(tǒng)制造方法，3D 打印在生產(chǎn) 復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，比如復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)及內(nèi)部通道，結(jié)合結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，能夠顯著減輕零件重量。而對(duì)于航空航天來(lái)說(shuō)，減重是永恒的主題。根據(jù)公司招股書(shū)，粗略統(tǒng)計(jì)，飛機(jī)重量減少一磅，平均每年可以節(jié)省 1.1 萬(wàn)加侖燃油，美國(guó) GE 公司預(yù)計(jì) 3D 打印零件未來(lái)可占航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的 50%，使其研發(fā)的大型航空發(fā)動(dòng)機(jī)每臺(tái)至少減重 454kg。 3D 打印在一定程度上解除了制造工藝對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的約束，大幅提升了航空航天行業(yè)的設(shè)計(jì)和想象力，因此越來(lái)越多的部件設(shè)計(jì)開(kāi)始建立在通過(guò) 3D 打印制造的前提下。

2）降低原材料成本。航空航天行業(yè)大多使用價(jià)格昂貴的戰(zhàn)略材料，比如鈦合金、鎳基高溫合金等，而大型航空鈦合金零件的材料利用率非常低，某些部件在鍛造、機(jī)加工的過(guò)程中去除的材料超過(guò) 80%，而 3D 打印相比傳統(tǒng) 減材制造幾乎沒(méi)有材料浪費(fèi)，大幅降低了原材料成本。

3）減少零件數(shù)量并提高零件性能。航空航天的零部件一般都較為復(fù)雜，部件通常需要由更細(xì)小的零件焊接組裝而成，零件與零件之間的配合、傳導(dǎo)在一定程度上影響了部件的整體性能，而 3D 打印技術(shù)能夠?qū)?fù)雜部件一體成型，顯著提升了部件的性能。以 GE 為 LEAP 發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的 3D 打印燃油噴嘴為例，整套噴嘴可以一次成形，無(wú)需后續(xù)焊接，零部件數(shù)量從 20 個(gè)降為 3 個(gè)，重量減少 25%，成本降低 30%，使用壽命延長(zhǎng)了 5 倍，自 2015 年通過(guò) FAA 聯(lián)邦認(rèn)證以來(lái)該型噴嘴已積累生產(chǎn)超過(guò) 6 萬(wàn)個(gè)。

4）顯著縮短新裝備的研發(fā)周期。航空航天技術(shù)關(guān)系國(guó)家安全，世界各國(guó)之間競(jìng)爭(zhēng)激烈，各國(guó)都試圖更快地研發(fā)出新的裝備。金屬 3D 打印技術(shù)讓高性能金屬零部件，尤其是高性能大結(jié)構(gòu)件的制造流程大為縮短，無(wú)需研發(fā)零件制造過(guò)程中使用的模具，大幅縮短了產(chǎn)品研發(fā)制造周期。例如 3D 打印技術(shù)使得 NASA RS-25 的發(fā)動(dòng)機(jī)擋板生產(chǎn)時(shí)間從 9 個(gè)月降至 9 天，GE 航空對(duì) GE9X 航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)間縮短至幾個(gè)月，而通過(guò)傳統(tǒng) 制造方法整個(gè)設(shè)計(jì)流程將耗費(fèi) 18 個(gè)月。近年來(lái)，3D 打印在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用愈加廣泛，市場(chǎng)進(jìn)入迸發(fā)前夜。 2016 年，空客公司搭載有增材制造部件的 A350 客機(jī)完成了為期兩年的測(cè)試，展現(xiàn)了增材制造在航空工業(yè)上的技術(shù)可行性和未來(lái)潛力；2017 年，波音公司在 787 Dreamliner 客機(jī)上使用 3D 打印鈦合金部件，預(yù)計(jì)可將每架 787 客機(jī)的制造成本節(jié)省 200~300 萬(wàn)美元；截至目前，GE 已順利生產(chǎn)了超過(guò) 6 萬(wàn)個(gè) 3D 打印燃油噴嘴，而 GE9X 作為目前世界上最先進(jìn)的商用發(fā)動(dòng)機(jī)之一，整體使用了 304 個(gè) 3D 打印零部件，涵蓋燃油噴嘴、熱交換器、導(dǎo)流器、葉片等七大類(lèi)部件，為其他發(fā)動(dòng) 機(jī)廠商的新型號(hào)研制提供了指引；在航天領(lǐng)域，SpaceX 早在 2013 年就通過(guò) 3D 打印制造了 SuperDraco 飛船火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的引擎室，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)工藝難以制造的復(fù)雜冷卻通道、噴油頭和節(jié)流系統(tǒng)；此外，SpaceX 的獵鷹 9 號(hào)火箭能夠在短短幾年間成熟離不開(kāi) 3D 打印在設(shè)計(jì)迭代過(guò)程中的幫助，獵鷹 9 號(hào)上使用了包括關(guān)鍵的氧化劑閥體等在內(nèi)的大量 3D 打印零件。我國(guó)作為航空航天領(lǐng)域的追趕者，也將在很大程度上參考國(guó)外大規(guī)模使用 3D 打印技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)。此外，由于航空航天行業(yè)的敏感性，國(guó)外領(lǐng)先的 3D 打印企業(yè)如 GE 增材、EOS 等與鉑力特等國(guó)內(nèi) 3D 打印企業(yè)很少出現(xiàn)直接競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)國(guó)外廠商的服務(wù)能力較弱，無(wú)法及時(shí)響應(yīng)國(guó)內(nèi)客戶(hù)的需求，因此具有本土化服務(wù)、響應(yīng) 迅速優(yōu)勢(shì)的國(guó)產(chǎn) 3D 打印廠商有望更多的獲得客戶(hù)的青睞，競(jìng)爭(zhēng)格局優(yōu)越。

就目前而言從空客A350客機(jī)到獵鷹9號(hào)再到GE9X商用發(fā)動(dòng)機(jī)，3D打印機(jī)在商用級(jí)、軍用級(jí)、航天級(jí)等航空航天領(lǐng)域中有著深遠(yuǎn)的發(fā)展空間，并且已經(jīng)有數(shù)量可觀的航天設(shè)備零件使用3D打印機(jī)作為生產(chǎn)驗(yàn)證的主要方式，就目前而言2020年度全球航空航天市場(chǎng)規(guī)模占據(jù)整個(gè)3D打印行業(yè)30%以上的利潤(rùn)，而在未來(lái)也擁有著十分可觀的上升可能性。

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