衡安新
航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司黑龙江哈尔滨150000
摘要：3D打印技术作为一种具有革命性及划时代意义的技术，自问世以来，就吸引着人们的关注。本文对3D打印技术的概况及分类作了简要介绍，指出了飞机结构设计应该满足的基本要求，主要分析了3D打印技术在飞机结构设计制造上应用的优缺点，并对3D打印技术的未来做了展望。
关键词：3D打印；飞机结构；增材制造
第一章概述
3D打印技术是一种快速成型技术，它是一种以三维数字模型文件为基础，运用粉末状塑料或金属等可粘合材料，通过3D打印机以逐层打印堆叠的方式来制造实物的技术。最初用于模具的制造，现在逐渐用于一些产品的直接制造，应用领域极其广泛，例如模具制造业、零件加工业、医疗工业、航空航天工业等，其打印原理与普通打印机类似，只是打印材料不同而已。从二十世纪八、九十年代的3D打印技术出现，至今已有三十余年的发展历史。经过这三十多年的飞速发展，现在的3D打印技术，已经可以试验打印出汽车、飞机、甚至人造肝脏器官，未来3D打印技术会随着材料种类的丰富以及3D打印机的更新发展，打印出更加复杂的实物。
3D打印技术按成型材料可分为非金属材料和金属材料的3D打印技术。也有按照热源方式以及成型目的和手段分类的。但其具体工艺一般都包括以下几种：1、SLA技术，即立体光固化成型法。2、LOM技术，即分层实体制造法，又称层叠法成型。3、SLS技术，即选择性激光烧结。4、FDM技术，即熔积成型法。5、DED技术，即多层激光熔覆。6、3DP技术，即三维打印成型。
第二章飞机结构设计需满足的基本要求
一、空气动力要求。结构设计应在总体部门定义的飞机理论外形下进行设计，以满足飞机整体的气动要求。
二、强度及刚度要求，应保证设计的零件、组件及装配后的结构在各种规定的载荷和工作环境条件下，具有足够的强度和刚度，不产生破坏及不容许的残余变形。
三维护性要求。结构设计应能方便飞机的检查、维护和修理。保证维修通道顺畅，避免操作不可达或操作费力。同时，零件的设计也应充分考虑维护性要求，方便修理与更换。
四、重量要求。飞机的各项性能指标与重量之间有着密切的联系，并且一般随着重量的增加而降低。飞机结构的减重设计对于飞机的性能提高非常重要，同时影响着飞机的燃油经济性。
五密封要求。结构设计应保证飞机的密封要求，在雨水、海洋环境下，飞机内部不会进水。
六、经济性要求。结构设计应充分考虑零件制造加工、装配、维护保养的成本，通过优化结构形状、连接形式，提高使用寿命和可靠性，降低维修保养难度等，达到降低成本的目的。
第三章飞机结构设计中应用3D打印制造技术的优劣分析
一、传统的加工方式，如冲压、车、铣、刨等，会因为零件形状的不同而受限于加工方法，同时增加加工工序及工时，如冲压是板材、薄壁管、薄型材等作为原材料的成形方法，车削适用于加工轴类、轮盘类工件。对于一些更复杂的零件，如封闭零件、单一面均匀厚度改变、连续曲面变角度结构等，传统加工方式很难实现。而由于3D打印特有的加工方式，使其不会因零件形状更复杂而增加较多的加工时间。
二、飞机结构设计，对重量控制有严格要求。一般来说，实现相同功能的零组件，零件越多，组件越重。航空零件间多采用铆接、螺接等连接方式，零件在设计时，为了提供连接区域而增加了结构重量，铆钉或螺栓等标准件的使用又增加了组件中的标准件重量。使用3D打印技术，可以优化结构形式，提高零件设计整体性，减少铆钉、螺栓等的连接，减少零件数量，降低重量，节省装配时间，提高密封性。同时，由于零件的整体性提高，有利于改善因铆钉、螺栓连接而在零件开孔的强度破坏问题
三当两个零件装配时，若零件的接触面为曲面特别是不规则曲面时，配合精度很难保证。由于3D打印材料多为粉末或液体，通过控制3D打印设备的打印速度及打印层厚度，可打印出精度更高的零件胚体，通过简单的打磨，便可得到所需高精度零件，进而提高零件间的配合精度。
四、在新研飞机的试验验证阶段，为了试验某一结构或装配组件的性能或功能是否满足要求，需要生产几件试验件进行试验。一般新零件需要制造价格不菲的模具，若试验不通过，产品需要更改，则模具就需要返修或报废，造成极大浪费。应用3D打印技术后，三维电子模型通过3D打印设备，直接打印用于试验的产品。若试验件需更改，仅对三维电子模型更改即可，然后打印使用。由于不需要模具的生产或返修，节省了模具制造、返修成本，也提高了设计生产的效率，缩短了研制试验周期。
五、飞机结构设计选用的材料多为航空用材，性能优异，材料价格也高。对于制造同一个零件，传统的零件加工方式为减材加工，即通过去除原材料的方式得到所需零件的加工方式，材料的利用率较低。3D打印加工为增材制造，相较于减材加工方式，材料去除少，产生的边角料也少，大大降低了材料成本。
六、飞机产品交付时，需要按备件手册提供大量的备件。对于外场维护、保养等需要更换零件或者需要新零件用于修理而备件无库存时，需向零件生产厂家提交零件需求，再由生产厂家进行生产，然后运输到外场进行安装。若应用3D打印技术，零件的生产场地则更加灵活，仅需输入三维电子模型到3D打印设备中，使用要求的打印材料，在外场就可以生产所需零件，缩短了备件生产及转运周期，这对外场结构修理效率的提升，大有裨益。
尽管以上段落阐述了3D打印加工相比传统加工方式的优点，就目前来说，3D打印技术的缺点也是很明显的：
七、3D打印设备成本较高，目前不会像车床、铣床等零件加工设备一样大量购买，加工设备数量不足，影响零件的批量生产。
八、目前，航空结构产品主要使用铝合金、不锈钢、铜、钛、纤维复合材料及橡胶材料等，3D打印材料种类主要有工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等，两者使用材料种类的重合度一般，不能满足人们对结构设计使用材料的全部需求。
九、传统的加工装配方式通过胶接、铆接、焊接、螺接或二次固化等技术实现多材料的结合，而目前多材料3D混合打印技术的研究还不深入，不能满足结构设计的需要，需继续完善。
十、3D打印技术在航空工业上的应用时间相对较短，实际使用数据积累还不够，特别是一些关重件的试验数据积累不足，没有完成过全寿命实际使用的验证。
第四章结论
基于上文分析的3D打印技术在飞机结构设计上的优缺点可知，3D打印技术在航空产品中全面应用还有一段路要走，发展潜力巨大。目前，3D打印技术更适合一些小规模制造，尤其是高端的定制化产品，3D打印材料的进步程度，影响着3D打印技术的发展高度。3D打印技术在“中国制造2025”的大背景下，会有更大的发展空间，在航空领域的应用也会越来越多、越来越深入。因此，加大3D打印技术类的知识产权保护，积极推广3D打印技术，开展3D打印新材料的研发，重视3D打印实物的使用数据积累，制定3D打印行业规范，这既是顺应时代发展的需要，也是走在3D打印技术领域前沿的基本要求，3D打印技术也必将取得更大的突破。
参考文献：
[1]刘冬．基于3D打印技术的飞机结构设计思考．中国商飞上海飞机设计研究院，2015．
[2]吴复尧邱美玲王斌．3D打印无人机的研究现状及问题分析．航天特种材料及工艺技术研究所，2015