浅析3D打印技术在航空制造中的应用

2024年3月28日发(作者：有关自信的作文)

工 业 技 术

2020 NO.12（上）

中国新技术新产品

浅析3D打印技术在航空制造中的应用

王大成 朱云阳

（江苏航空职业技术学院，江苏 镇江 212134）

摘 要：在航空制造领域中广泛应用了3D打印技术。由于其具有成形速度快、材料实际利用率较高等优势，

因此在航空领域中受到关注，也成为近些年的研究热点。该文说明了3D打印技术的基本技术手段，同时分析

了当前该项技术的实际应用现状。

关键词：3D打印技术；航空制造；材料的利用率

中图分类号：TP 391 文献标志码：A

０　引言

3D打印技术的飞速发展，使各个生产领域的生产效率

有了明显的提升，同时为生产效益的增加提供了可靠的技

术支持，对于经济社会的稳步发展具有积极的作用。在不

同的方面进行应用，3D打印技术能够更好地实现发展的目

标，为国家各领域的技术水平提供有效的支持和保障

[1]

。应

该在具体的实践中，正确地看待3D打印技术，明确其在航

空制造领域做出的贡献，并且结合现代航空制造业的发展

要求，奠定相应的基础，为该技术的长远发展清除障碍。

影响到实际的应用成效，因此需要结合技术的特点进行合

理的分析，对具体成果进行明确。3D打印技术能够将复杂

的零件加工制造出来，通过先进的技术手段，摆脱了必须

使用模具的限制，及时地将计算机设计图纸合理地转化为

实体零件。与传统的制造工艺相比，该项技术同时具有先

进性和科学性的特点，可以确保复杂零部件的制造流程合

理地缩短，并且使产品实际的研发制造周期得到有效的控

制

[3]

。

２．２　高效节省

3D打印技术在实际运用的时候，材料的利用率得到了

明显的提升，在打印成型的阶段，可以保证材料更充分地

使用。打印之后的产品，仅需要经过简单的处理就可以投

入使用，使用率十分理想，保证利用率高达60%以上，甚

至可以达到90%以上。然而对于传统的制造方法来说，材

料的实际使用率较低，特别是航空制造阶段相对复杂的零

部件加工，通常不会高于10%，甚至只能达到2%~5%，使

制造成本明显提升。

１　３Ｄ打印技术

3D打印技术是快速成型技术中的关键组成部分，也被

称为增材制造，是一种将先进技术融为一体的加工手段。该

项技术涉及的主流成型技术包括光固化法、熔融沉积法等。

3D打印技术思想源于19世纪末层叠成型理论，经过了不

断的发展和推广，在20世纪80年代伴随着计算机科学和

激光技术等受到了广泛的关注。该技术相对于传统的制造

工艺来说，表现出十分明显的优势，通过制造出复杂形态

的产品，使得资源浪费的问题得到有效的规避。3D打印技

术还能将设计进行适当的优化，对设计的正确性和造型的

合理程度等加以检验，降低产品开发的风险度。当前，3D

打印技术作为快速成形技术的优选，在各个领域得以普及

并推广，人们开始关注到这一技术的发展潜力和实际的应

用空间。该项技术一般包括固化成形技术、叠层实体制造

技术等。在航空制造领域，高性能金属构件激光成形技术

成了最前沿的代表。该技术在实际运用时，重点是将合金

粉末视为主要原料，借助于激光熔化逐层堆积的方式，在

零件数模一步完成高性能、复杂化的构件成形目标。在

国内，航空制造领域对3D打印技术的运用已经位于世界前

列，很多型号的飞机均使用了3D打印部件，相关的技术现

已处于世界领先的水平。

[2]

２．３　高度优化

对于航空制造领域来说，科学地使用3D打印技术，能

够在保证其性能的前提下，将零部件的结构合理地优化，

适当地减轻零部件质量。相较于传统的拼接构件，该技术

的运用能够实现部件整体制造，不需要涉及焊接以及铆接

等多种组装工艺就可以对复杂结构进行处理，有效地减少

部件的质量。经过对结构零部件的优化处理，使零部件的

应力分布相对合理，并且使疲劳裂纹出现的危险性得到有

效降低，提高了零部件实际的结构强度，增加了使用寿命，

同时保证其完整性和可靠性

[4]

。

３　３Ｄ打印技术在航空制造中的技术手段

3D打印技术重点是在选定了坐标轴的方向后，需要将

需要打印产品的三维空间模型合理地划分出不同的剖面，

在特定的时间段内，将剖面及时打印出来，通过应用产品

三维模型，可以合理地设定打印尺寸，由此得到相对理想

的、等比例的产品实体模型。

２　３Ｄ打印技术的基本特点

3D打印技术具有自身的特点，在实际运用的过程中应

该结合其基本的特征进行分析，体现了3D打印技术的实际

优势，使其更好地发挥应用价值。

３．１　光固化立体成形技术

该项技术诞生的时间较早，在实际运用的时候，更倾

向于使用液态光敏树脂的材料，结合工作台的支撑效果，完

成激光束的合理照射，确保产品能够及时地固化，由此获

２．１　快速制造

在航空领域运用到的相关技术手段，应该体现出便捷

性和快速性等多种效果，如果无法达到理想的要求，将会

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取更为理想的产品

[5]

。

３．２　分层实体制造技术

在具体使用的时候，一般会采用性能相对可靠的材料，

将预先准备好的热熔胶箔材运送至工作台上，借助于先进的

计算机技术，及时获取产品的剖面，通过激光切割系统照射

的CO

2

激光束，确定箔材实际的尺寸轮廓，完成相对合理的

切割，对切割过程中可能出现的多余碎片加以处理，最终获

得更为理想的、符合实际需要的产品。

３．３　选择性激光烧结工艺

该项技术在具体运用的时候，应该结合使用的对象进行

详细的分析。在实际使用的时候，一般使用CO

2

激光器，通

过对粉末材料进行处理，实现选择性的烧结，确保不同的离

散点更加明确且合理。将这类离散点按照科学的方式进行堆

积，最终得到三维实体模型，这样就可以打造出理想化的产

品。该技术属于高效的打印成形技术

[6]

。

３．４　３Ｄ打印技术在航空制造中的应用实践

3D打印技术在航空领域中的优势十分显著，但是在实

际的生产中还存在诸多的问题。3D打印产品的质量还有待

提升，应该更好地满足当前批量生产的实际需要；另外，3D

打印金属单位的时间较长，在打印的重量上也存在明显的限

制，需要更好地适应高效率制造标准。随着计算机技术和新

型材料的稳步发展，上述提到的相关问题可以得到逐步解

决，同时也应该制定出更为理想的发展规划。3D打印在航空

领域中的应用及发展备受关注，前景十分广阔。

３．４．１　飞机机翼的制造方面

很多的现役飞机机翼大多是通过构件铆接以及焊接等

方式完成有效的拼接，在重量以及强度等多个技术指标上有

待得到更好的提升。整体式机翼能够及时突破传统结构机翼

的限制。波音及空客这类大型的航空制造企业对3D打印技

术给予了高度的重视，提供了大量的资金支持，使其合理应

用在整体式机翼制造中，取得了相对显著的进展。在未来的

发展中，3D打印技术将会在机翼制造中彰显更为突出的利用

价值。

３．４．２　航空发动机零部件制造方面

根据相关的报道和研究，通用电气以及罗罗公司都对选

区激光熔化和电子束选区熔化技术等给予了高度的关注，通

过一系列的测试以及验证过程，证明了相关技术打印的零部

件具有实用性。通用电气公司将相关技术合理地应用至下一

代Leap航空引擎喷油嘴的批量制造领域，使得相关技术的具

体应用优势体现出来。关于其他的零部件，国内外对运用各

种技术制造的3D打印零件进行有效的测试和分析，目的是

对其实际的应用成效进行科学的总结和判断

[7]

。

３．４．３　无人飞机制造方面

现阶段，无人飞机已经备受关注，正在逐步地向小型化

和轻型化的方向转变，因而需要在实际制造的过程中，重点

分析大荷载以及个性化的定制标准。无人机结构应该逐步向

低重量、高复杂化的方向前进，但是由于受到传统制造工艺

的限制，这一要求始终无法满足，更难以满足未来无人机市

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场的发展需要，因此需要将关注的重心放在3D打印技术上。

当前，3D打印技术已经成为无人机制造领域中的重要推动

力。在2011年首架打印无人机“SULSA”诞生之后，3D打

印技术就备受瞩目，在无人机制造领域彰显了自身的价值，

成了万众关注的焦点。相信在未来的发展规划中，3D打印技

术还将在无人机制造领域占据主导地位。

３．４．４　航空部件修复再造方面

3D打印技术在航空零部件的修复再造领域中颇受关注，

国内外已经针对该技术的成功应用案例进行了报道。由于燃

气涡轮航空发动机整体涡轮盘修复成功的案例受到了广泛

关注，因此在航空领域中，一旦涉及部件修复再造的问题，

均会优先想到3D打印技术。涡轮盘上的某处一旦受损，将会

影响到整个盘，使其处于报废的状态，造成的直接经济损失

大，甚至能够达到上百万。然而基于3D打印技术独特的优

势，通过合理地运用该项手段，可以使激光成形技术的优势

之处显现出来，并确保部件能够及时地恢复至原有的状态，

性能符合基本的使用要求和具体标准，甚至明显高于要求的

使用性能。正是由于该技术的此种优势，提高了航空零部件

的寿命，对维修成本的控制也起到了一定的作用。

４　３Ｄ打印技术在航空制造中的应用建议

3D打印技术在航空制造中彰显了实际的利用价值，但是

也存在一些弊端和问题，需要正视其不足之处，按照具体的

应用原则，展开合理的判断，由此提出以下建议。

４．１　合理应用“产研结合”的方案

在3D打印技术充分彰显出自身的应用优势时，还需要

注重合理化的推广方案，确保该项技术的应用价值充分地体

现出来，将相关的产业链不断延伸。借助于产研结合的方式，

使得3D打印技术应用领域明显拓宽，将相应的产业链适当

地延伸并优化，促使产业化的程度得以提高。通过将3D打

印的“增材”及传统工艺的“减材”相互结合，构建出相对

合理的复合制造体系，更好地满足航空制造领域的实际发展

需要。快速成形技术方法如图1所示。

４．２　稳步提高效率及精度

为了使3D打印技术的优势更加明显，在实际运用的过

程中，应该积极地重视相关技术的应用速度、应用效率、应

用精度。通过对3D打印技术的进一步完善，使得3D打印机

体积呈现小型化、桌面化和成本低廉化的趋势。需要在具体

的实践中，积极地开发多样化的3D打印材料，尤其是成型

金属材料，以便于为制造业的发展提供便利和支持。在航空

领域相关的技术，应该体现出具体的利用价值，更好地为航

空领域的长远发展做出积极的贡献。结合目前的实际情况来

看，3D打印技术的完善是一种必然的趋势，能够更好地满足

当前相关技术标准及要求，为制造行业的长远进步提供有力

的技术支持，使既定的目标顺利地实现。

４．３　转变实际的商业模式

商业模式的合理化能够推动相关产业的稳步发展，因此

需要结合航空领域的实际发展情况，选择合适的商业模式。

经过资本化的运作过程，使得拥有核心技术的3D打印企业

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ＲＰ　　工艺方法及其分类

液体材料粉状材料

片状材料

液体树

脂固体

熔融材

料固化

激光融

合材料

黏结剂

黏结材料

黏性片材料

的黏结

ＵＶ黏结

片状材料

ＳＬＡ

ＢＩＳ

ＬＴＰ

ＨＩＳ

ＳＧＣ

ＢＭＰ

ＦＤＭ

３ＤＷ

ＳＤＭ

ＥＳ

ＳＬＳ

ＧＰＤ

３ＤＰ

ＳＦ

ＴＳＦ

ＬＯＭＳＦＰ

图1快速成形技术方法

凝聚到一起，呈现出1种并购模式。将具备核心制造能力且

具有较低成本的制造企业作为关注的焦点，使其可以真正发

挥自身的作用，为航空制造领域做出积极的贡献，打造出富

有特色的、生命力顽强的价值生产链。在科学地运用相关的

手段时，确保相应的商业模式得以优化，呈现出更为理想的

运营方案，使航空制造领域的发展更上一层楼。

协会等组织的力量，完成科学合理的活动规划，推动3D产

业链的完善与优化。

参考文献

[1]周明安，徐雪雅.应用于3D打印技术的ABS/纳米二氧化

钛复合材料制备及力学性能研究[J].塑料工业，2020，48（4）：

124-129.

[2]张魁，周友行，张高峰，等.高校创新创业教育实践中互

联网+3D打印技术与STEAM教育理念的融促机制研究[J].

教育教学论坛，2020（12）：6-7.

[3]谌谢辉.3D打印技术在《机械设计基础》课程中结合信息

化授课论述[J].信息记录材料，2020，21（3）：139-140.

[4]阮拥军，王利洪.试述3D打印技术在我军联合国维和行动

装备维修保障中的运用[J].国防，2019（8）：37-39.

[5]马雪亭，丁羽，赵劲飞.浅谈激光切割与3D打印技术对

机械原理教学的作用——以无碳小车为例[J].教育现代化，

2019，6（70）：151-153，162.

[6]高健，刘立彬，贺韡，等.航空钛合金零件激光选区熔化

3D打印技术应用的关键基础研究[J].航空制造技术，2018，

61（Z2）：87-90，95.

[7]丁红瑜，黄洁，马超，等.3D打印技术在骨科医疗植入物

方面的应用及其对民用飞机结构件适航认证的启示[J].材料导

报，2017，31（S1）：83-85.

４．４　注重产业联盟协会的构建

通过建立3D打印产业联盟行业协会，能够形成1条相

对完整且可靠的产业链，对于产业的稳步发展，能够起到相

对理想的推动作用，确保协同发展的成效更加显著。对工业

设计企业进行合理科学的指导，借助于3D数字化技术提供

商和材料研发企业的共同作用，使得产业联盟的建立更加合

理，与当前实际的发展规划相契合，推动3D打印产业的稳

步发展，实现可持续前进的基本目标。

４．５　提升科学技术的扶持力度

通过逐步加大科学技术的扶持力度，可以使相关技术的

投入更加到位，从而获得更为满意的成果，更好地提升3D

打印技术的整体水平。根据实际的需要，可以适当地建立3D

打印产业专项基金会，为相关技术和应用领域的推广提供必

要的支持，稳步推进数字化技术和软件控制等关键技术的发

展，促使相关工作的开展更加顺利，赢得更为广阔的发展市

场。

４．６　强化教育培训的力度

为了普及3D打印技术，实现社会化推广的目的，应该

提升教育培训力度，运用科学的手段，使3D技术获得更为

满意的发展成果。需要将3D打印技术积极地纳入科学的学

科建设体系中，及时培养相关领域的技术型人才，结合行业

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