航天航空技術(shù)是當(dāng)今世界最具影響力的高新科技之一，而航天航空制造技術(shù)是航天航空技術(shù)的重要組成部分，其發(fā)展水平對于飛機、火箭、導(dǎo)彈和航天器等航天航空產(chǎn)品的可靠性增強與使用壽命延長，綜合技術(shù)性能的完善，研制和生產(chǎn)成本的降低，甚至總體設(shè)計思想能否得到具體實現(xiàn)，均起著決定性作用。同時，航天航空制造技術(shù)是集現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成果之大成的制造技術(shù)，集中代表了一個國家的最高制造業(yè)水平和技術(shù)實力，是衡量一個國家科技發(fā)展綜合水平的重要標(biāo)志之一。

3D打印技術(shù)在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢

第一，實現(xiàn)復(fù)雜難加工零件的制造。航天航空裝備關(guān)鍵零部件的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常較為復(fù)雜，鑄造、鍛造等傳統(tǒng)制造工藝難以精準(zhǔn)加工，而金屬3D打印技術(shù)無需像傳統(tǒng)制造技術(shù)一樣研發(fā)零件制造過程中使用的模具，能讓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，這將極大的縮短產(chǎn)品研發(fā)制造周期。國防大學(xué)軍事后勤與軍事科技裝備教研部教授李大光表示上世紀(jì)八九十年代，要研發(fā)新一代戰(zhàn)斗機至少要花10-20年的時間，而如果借助3D打印技術(shù)及其他信息技術(shù)，最少只需3年時間就能研制出一款新戰(zhàn)斗機，因為3D打印技術(shù)最突出的優(yōu)點是無需機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件。

第二，顯著提高材料利用率。航天航空裝備對材料的性能和成分要求十分嚴(yán)苛，而材料的極大浪費也就意味著機械加工的程序復(fù)雜，生產(chǎn)時間周期長。傳統(tǒng)制造方法對材料的使用率很低，一般不會大于10%，甚至僅為2%-5%，對于難加工的技術(shù)零件，加工周期會大幅度增加，制造周期明顯延長，從而造成制造成本的增加。3D打印技術(shù)可以輕松地加工高熔點、高硬度的高溫合金、鈦合金等難加工材料，且3D打印加工過程中對材料的利用相對充分，只需進(jìn)行少量的后續(xù)處理即可投入使用，材料的使用率達(dá)到了60%，有的可達(dá)90%以上，可以節(jié)約原材料且顯著的降低制造成本。

第三，可有效實現(xiàn)零件減重。減重是航天航空武器裝備永恒不變的主題,不僅可以使飛行裝備在飛行過程中更靈活，而且可以減少載重量，節(jié)省燃油，降低飛行成本。但是傳統(tǒng)的制造方法已經(jīng)將零件減重發(fā)揮到了極致，想再進(jìn)一步發(fā)揮余力，已經(jīng)不太現(xiàn)實。但是3D技術(shù)的應(yīng)用可以在保證性能的前提下優(yōu)化復(fù)雜零部件的結(jié)構(gòu)，減少零部件數(shù)量，實現(xiàn)零部件的整體制造，無需焊接、鉚接等組裝工藝，經(jīng)變換重新設(shè)計，將復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計成簡單結(jié)構(gòu)，從而起到減輕重量的效果。而且通過優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)，能使零件的應(yīng)力呈現(xiàn)出最合理化的分布，降低疲勞裂紋產(chǎn)生的危險性，從而提高零部件的結(jié)構(gòu)強度、增強完整性和可靠性等性能、增加使用壽命。戰(zhàn)機的起落架是承受高載荷、高沖擊的關(guān)鍵部位，這就需要零件具有高強度的抗沖擊能力。美國F16戰(zhàn)機上使用3D技術(shù)制造的起落架，不僅滿足使用標(biāo)準(zhǔn)，而且平均壽命是原來的2.5倍。

第四，可快速修復(fù)零部件破損部分。在航天航空領(lǐng)域，重大裝備造價昂貴，如果使用過程中出現(xiàn)零部件損壞或零件尺寸不合要求等問題，將造成很大經(jīng)濟損失。此時，選擇利用3D打印技術(shù)修復(fù)零部件破損部分，使整體裝備快速投入使用是明智的。以高性能整體渦輪葉盤零件為例，當(dāng)盤上的某一葉片受損，則整個渦輪葉盤將報廢，直接經(jīng)濟損失價值在百萬之上。在以前，這種令人心痛的損失可能不可挽回，但是基于3D打印逐層制造的特點，我們只需將受損的葉片看作是一種特殊的基材，在受損部位進(jìn)行激光立體成形，就可以回復(fù)零件形狀，且性能滿足使用要求，甚至是高于基材的使用性能。由于3D打印過程中的可控性，其修復(fù)帶來的負(fù)面影響很有限。事實上，3D打印制造的零部件更容易得到修復(fù)，匹配性更佳。相較于其他制造技術(shù)，在3D修復(fù)過程中，由于制造工藝和修復(fù)參數(shù)的差距，很難使修復(fù)區(qū)和基材在組織、成分以及性能上保持一致性。但是在修復(fù)3D成形的零件時就不會存在這種問題了。修復(fù)過程可以看作是3D打印過程的延續(xù)，修復(fù)區(qū)與基材可以達(dá)到最優(yōu)的匹配。這就實現(xiàn)了零件制造過程的良性循環(huán)：低成本制造+低成本修復(fù)=高經(jīng)濟效益。

國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

因為3D打印的諸多優(yōu)勢，國內(nèi)外在此領(lǐng)域的研究屢有突破。國內(nèi)方面，中國航天科技集團(tuán)公司與上海航天設(shè)備制造總廠聯(lián)合研制出一款多激光3D打印機，目前已成功打印出衛(wèi)星星載設(shè)備的光學(xué)鏡片支架、飛機研制過程中用到的葉輪等構(gòu)件。這些構(gòu)件有的形狀極其不規(guī)則，有的微小而復(fù)雜，如果采取傳統(tǒng)加工技術(shù)，不僅造價昂貴、廢品率高，甚至難以加工生產(chǎn)，而這臺3D打印機很快就能打印出來。成都航利集團(tuán)利用3D打印技術(shù)進(jìn)行飛機發(fā)動機葉片修復(fù)，開展了數(shù)字化仿真、壽命評估等前沿理論研究和再制造技術(shù)預(yù)算，創(chuàng)建了國內(nèi)第一套具有國際先進(jìn)水平的航空發(fā)動機再制造技術(shù)和工程管理體系，使按引進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)不能修復(fù)的3萬余件關(guān)鍵零部件得到再生，實現(xiàn)了軍用航空發(fā)動整機性能升級，成為航空發(fā)動機精密零件世界級生產(chǎn)基地和供應(yīng)商，并建成國內(nèi)首個“航空發(fā)動機再制造技術(shù)應(yīng)用研發(fā)中心”。國外方面，美國航空航天和軍火承包商Aerojet Rocketdyne日前成功完成MPS-120 CubeSat（MPS-120）高沖擊可適應(yīng)模塊推進(jìn)系統(tǒng)的點火試驗，這意味著3D打印的肼集成推進(jìn)系統(tǒng)將可為微型CubeSat衛(wèi)星提供動力。

此外，3D打印在太空中的應(yīng)用也有一定收獲。

2014年7月，NASA鼓勵民眾參與到“火星基地挑戰(zhàn)”中。參與者需設(shè)計一個可經(jīng)受得起火星殘酷環(huán)境考驗的智能化、功能化的火星基地三維模型。幾周后，NASA宣布創(chuàng)建出首個船底座星云的完整三維模型。船底座星云距地球約7500光年，是值得天文學(xué)家深入研究的銀河系最大、最亮的恒星之一。原恒星是太陽質(zhì)量的90倍，排放能量是太陽的500萬倍。NASA使用3D模型來獲取其相關(guān)信息。2014年11月，Made In Space公司和 NASA的人員開始通過電子郵件向ISS發(fā)送空間站上3D打印機的使用說明以及空間站專用套筒扳手的3D打印資料，省時又節(jié)約能源。2015年初，NASA鼓勵 “空間工具挑戰(zhàn)”的參與者提交更多更新的3D打印設(shè)計發(fā)送給ISS，令太空旅行更加美好。美國宇航局（NASA）在3D打印領(lǐng)域一直風(fēng)頭十足。在其首次將3D打印機送入地球軌道半年之后，近日，來自阿拉巴馬州Huntsville馬歇爾太空飛行中心的工程師在攝像鏡頭前首次拆箱了從空間站（ISS）發(fā)回來的3D打印物品。

據(jù)NASA有關(guān)人員披露，為了更好地開拓其它行星和小行星，肯尼迪航天中心正在進(jìn)行一項新的研究，其目的就是將機器人送到一些“漫游者”之類的探測車無法到達(dá)的地方。這些機器人，被稱為“Extreme Access Flyers（極端訪問飛行物）”，這是一種類似于無人機的飛行器，但是它主要依靠冷氣噴射在其它星球的大氣層（有的可能沒有大氣層）中飛行。據(jù)了解，NASA目前正在使用3D打印快速設(shè)計這些無人機的樣機，同時也在測試它們是否能夠自主飛行或者需要人類從遠(yuǎn)處控制它們飛行。NASA佛羅里達(dá)中心空間技術(shù)和創(chuàng)新實驗室Swamp Works的高級技師Rob Mueller說，“要想利用火星或者小行星資源的第一步是先要找出資源。這些能夠飛行的勘探機器人可以進(jìn)入一些之前很難到達(dá)的地方，比如有些隕石坑壁角度在30度以上，對于傳統(tǒng)的探測車來說實在是太陡可根本爬不上去?！边@些太空無人機的原型由幾個3D打印的部件以及大部分現(xiàn)成的部件組成，大約有5英尺寬。如果計劃順利的話，人類未來會派它們到火星的一些神秘區(qū)域，比如火山附近，或者是表面非常崎嶇難行的小行星上。雖然這種無人機會在什么時候用在火星或者小行星上并沒有明確的時間表，以及最終的版本是否采用3D打印的方式制造也不確定。但是它充分顯示了3D打印在NASA內(nèi)部的研究中發(fā)揮著重大作用。同時，NASA稱，他們希望在下一個針對大型天體的主要任務(wù)中使用多架類似的無人機。“它們將有足夠的推進(jìn)劑在火星或月球上飛個幾分鐘，或者在小行星上飛幾個小時。” Extreme Access Flyer項目的共同研究員Mike DuPuis說。

3D打印在航天航空領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展趨勢及挑戰(zhàn)

3D打印在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用可謂是碩果累累，未來的應(yīng)用發(fā)展更是令人期待。Vivek Saxena是 ICF International咨詢公司的航空運營副總裁，他表示，3D打印技術(shù)在全球制造行業(yè)的市場份額僅為0.0002%，其在價值1500億美金的航天航空領(lǐng)域的份額僅為0.002%。但是，很多分析師表示，在未來十年，3D打印技術(shù)將會帶來20億美金的收益。由此可以看出，3D打印技術(shù)在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。以下是其未來在航天航空領(lǐng)域的5大應(yīng)用：

一、飛機機翼制造

現(xiàn)在，很多飛機的零部件都是使用3D打印技術(shù)制作的，未來，將可以制作整個波音飛機的機翼。3D打印技術(shù)在大型零部件的制作上有很大的局限性，因其內(nèi)部壓力的變化，可以會使零部件變形。但是，最近BAE Systems發(fā)明了一種全新的制作方式，通過超聲波可以讓金屬零部件更加堅固，減少局部壓力。

二、復(fù)雜零部件制作

通用電氣已經(jīng)3D打印出了GE9X引擎，可以在未來的波音77 X長途客機上使用。3D打印技術(shù)也可以用于原型測試和數(shù)控機器的角度和公差測試等等。近日，Autodesk和Stratasys合作，3D打印出渦輪螺旋槳發(fā)動機，展示了3D打印技術(shù)在發(fā)動機零部件制作的前景。

三、按需制作零部件

目前，NASA下一代太空探索裝置上將使用70個3D打印的零部件。按需進(jìn)行零部件的制作將直接降低發(fā)送火箭到天空的成本和制作周期。3D按需打印航空零部件已經(jīng)被很多公司使用，像Made in Space等等。通過與美國航天局合作，公司已經(jīng)將一臺零重力的3D打印機送向了國際空間站，讓宇航員可以3D打印零部件。

四、無人駕駛航空系統(tǒng)

BAE Systems已經(jīng)公布了2040個飛機零部件，將3D打印技術(shù)用于無人機的研究。這一概念將闡釋無人機如何檢測災(zāi)情，將工程數(shù)據(jù)傳回地面指揮中心。最終，3D打印無人機將會執(zhí)行救援行動或監(jiān)控災(zāi)情。盡管這僅僅是一個概念化的想法，BAE Systems1.17億用于無人機研發(fā)，希望可以將概念變?yōu)楝F(xiàn)實。

五、3DPaaS（3D Printing as a Service）

NASA正在展望探索3D打印作為快速預(yù)原型制造（Rapid Pre-Prototyping）的服務(wù)的未來。“3D打印讓我們可以更簡單地捕捉任務(wù)概念的想象。我們可以看到其他人在想象什么。”NASA噴氣推進(jìn)實驗室的IT首席技術(shù)官Tom Soderstrom說。使用3DPaaS，工程師可以獲得同行評審、替代設(shè)計概念、最終原型的認(rèn)可。隨著開源設(shè)計開發(fā)的發(fā)展，來自外界的各種想法都可以集成在一起，因而建造時間和成本都可以可觀地降低。

航天航空作為3D打印技術(shù)的首要應(yīng)用領(lǐng)域，其技術(shù)優(yōu)勢明顯，但是這絕不是意味著金屬3D打印是無所不能的，在實際生產(chǎn)中，其技術(shù)應(yīng)用還有很多亟待決絕的問題。比如目前3D打印還無法適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)，滿足不了高精度需求，無法實現(xiàn)高效率制造等。而且，制約3D打印發(fā)展的一個關(guān)鍵因素就是其設(shè)備成本的居高不下，大多數(shù)民用領(lǐng)域還無法承擔(dān)起如此高昂的設(shè)備制造成本。但是隨著材料技術(shù)、計算機技術(shù)以及激光技術(shù)的不斷發(fā)展，制造成本將會不斷降低，滿足制造業(yè)對生產(chǎn)成本的承受能力，屆時，3D打印將會在制造領(lǐng)域綻放屬于它的光芒。