作者/沈振、吕人力
什么是3D打印?
3D打印(3D Printing)是近几年才进入大众视线的一个名词，但实际上这项技术已经诞生了20多年：20世纪80年代，美国德克萨斯大学的Carl Deckard和Joe Beaman发明了一台选择性激光烧结(Selective Laser Sintering)打印机，是世界上第一台3D打印机。
3D打印技术是一种增材制造(Additive Manufacturing)技术，其基本原理是将通过扫描或设计得到的3D物体的模型切割成无数非常薄的剖面，然后逐层生产并按原位置叠加到一起，最终得到与设计图纸一模一样的三维物体。
3D打印技术诞生后的20多年间，计算机硬件、设计软件、新材料和互联网等技术的日新月异，使得3D打印技术随之迅速进步。选择性激光烧结技术之后出现的电子束熔炼(Electron-Beam Melting)技术，扩大了打印原料的范围，可以陶瓷、树脂和航天用的钛金属为原料，用以生产工业级的航空零件。20世纪90年代中期，美国人就在最尖端的航空工业进行了3D打印的应用尝试。在著名的F-22和F-35战斗机上也有此项技术的身影。在民用领域，第一个应用3D打印技术的是日本的佳能公司，他们在其顶级的单反相机壳体上使用了以镁铝合金为原材料，具有特殊曲面的3D打印顶盖。现在，3D打印已经进入了大众的日常工作生活。在亚马逊、淘宝等电商网站上已经可以买到办公室或家庭用的小型3D打印机，用以制造鞋盒大小的塑料物品，工业级的3D打印机更是可以生产汽车大小的塑料或金属物品。
3D打印有何独特之处?
互联网、新材料和新能源的出现，推动全球工业进入了“第三次工业革命”时期，而3D打印对传统生产方式和生产工艺的颠覆性改革，使得这种新兴技术被公认为这次工业革命的重要标志之一。3D打印已被广泛地运用于航空航天、汽车工业、重大装备、文化创意、生物医学等领域。那么，3D打印为何能够迅速成为全球前沿技术呢?
1、大大提高生产效率
传统的零部件制造，首先要进过样品设计、模具生产、机械加工、后期处理等步骤。3D打印技术能够避开传统设计制造过程中的繁琐步骤，从图纸到产品实现仅通过了一台3D打印机，由此直接把新技术应用到新零件上，加快创意和设计的测试速度，有效提高生产效率。
2、有效控制制造成本
传统制造工艺生产复杂物体，复杂的生产流程、配套的生产工具以及专业的技术人员，需要制造商进行大量的资金投入。制造商要增加产品种类时，还需要增加投资进行模具和生产设备更换。3D打印能够对复杂物体进行一次成形，无需组装工序，改变产品种类也仅需要更换数字蓝图和原材料，可以为制造商节约大量成本。
3、更易实现复杂加工
由于摆脱了传统工艺和加工工具的限制，人们在设计软件中可以任意发挥自己的想象力，设计外形和内部结构复杂的物品，3D打印机可以百分百地执行设计者的创意，需要考虑的仅仅是打印机的加工尺寸和材料的种类限制。
4、大幅节省原材料
3D打印运用“加法”将原材料聚合在一起，没有传统零部件加工中的切割、磨削、腐蚀等“减法”流程，在原材料的使用上可以实现“需要多少用多少”，大大提高了原材料的利用率，显著地控制废料的产生。例如，使用传统制造技术生产某型飞机的风扇叶片，材料利用率仅有7%左右，而3D打印技术可将材料利用率提高到80%以上。
5、加快产品交付
由于生产设备仅仅是一台或多台3D打印机，配套设备简单，需要的生产厂房规模不大，另外设计图纸的网络化传输，有利于制造商在全球布局制造网络，进行国际化生产。未来可能出现的“按需就近生产”的商业模式，将大大地减少产品长途运输的时间，方便顾客更快地拿到产品。
6、降低人员技能要求
3D打印生产只要求操作人员会操作计算机和专用软件，熟悉打印机的操作方法，必要时要求其具备一些零件的后期外表面加工处理技能。获得这些技能所需的培训时间远远短于传统零部件加工业的培训时间，而得到的零部件合格率反而更高。
7、精确复制原物
只要有物体的模型数据，或者直接用CT扫面物体获得其三维坐标，就可在设计软件中建立实物模型，3D打印机便可生产出与原物完全一致，或者不同材质、不同比例的复制品。由于剖面厚度可以达到微米级，因此3D打印可以完美复制任何复杂物体，而传统工艺则很难达到如此高的加工精度。现在国外有楔形文字的研究学者就使用3D打印进行楔形文字文物的复制，用于研究和教育，而不会对文物原件造成破坏。人体器官的复制，也是3D打印被看好的一个应用前景，国外已经有科学家为心脏病患者打印制造了人工心脏瓣膜，用以无缝替换出现问题的心脏瓣膜。
3D打印在航空航天领域的应用现状如何?
由于3D打印技术可以节省材料，使零件轻量化，因此过去的十几年间，航空航天工业界开始逐渐在航空器零部件的生产中引入3D打印技术。
美国波音公司已经生产了20000多件3D打印的零件，并在10种不同的军用和民用飞机上进行了装配。2012年5月，波音公司公开了他们在Everett生产厂的747生产线使用3D打印技术的实验，梦幻飞机787上也安装有32个3D打印生产的零件。虽然这32个零件大多是形状复杂的通风管道或铰链部件，但这已创造了3D打印零件在民用运输飞机上的使用记录。此外，有报道称波音公司还与Stratasys 3D打印公司合作，已经试生产了一整个飞机客舱。
GE航空集团同样非常看好3D打印在航空制造方面的应用前景，并收购了两个3D打印公司——Morris Technology和Rapid Quality Manufacturing。目前，GE主要在下一代的LEAP喷气引擎上使用了3D打印生产的喷嘴。此前生产这种喷嘴需要18个零件焊接在一起，而采用3D打印后就成了一个比以前轻四分之一的独体零件，但是耐用度却比以前提高了5倍。GE计划将这款LEAP涡轮发动机在未来几年应用于短途运输飞机，目前已经接到了4000台的订单。此外，GE最新的喷气涡轮的冷却罩也是用3D打印生产的。2020年前，GE将生产10万多个3D打印零件。
空中客车公司的客舱设计师Bastian Schaefer对3D打印技术也深感兴趣。这位设计师设计了一架可打印的私人飞机，但是由于目前还没有足够大的设备来生产一些特殊部件，目前只是生产一些小型零件。Bastian Schaefer表示有望在2050年以前“打印”完成他的设计。
在航天领域，美国航空航天局(NASA)已于2012年底开始打印零件并开始用于下一代大推力火箭的测试。NASA还着手研发可以生产食物的3D打印机，用在在漫长的火星任务中生产和储存新型营养食物，保证宇航员在太空飞行中可以打印出至少一种自己喜欢的食品。在美国，一个名叫DIYRockets的公司还举办了一场3D打印火箭引擎的比赛。
当然，作为一种出现仅仅不到30年的新技术，在航空航天界进行大面积推广使用，还存在一些约束限制。例如，目前3D打印得到的金属构件，大多只能达到同牌号金属铸造件的强度水平，在一般的领域应用完全没有问题。2013年11月7日，美国得克萨斯州的Solid Concepts 3D打印公司就使用金属激光烧结工艺生产了全球第一把全金属3D打印手枪，并成功发射了50发子弹。但是，3D打印的构件还不能达到大型飞机主要受力构件的标准。不过，这个问题可能很快会得以解决——美国的Sigma Labs公司已经开发了一套名为PrintRite3D的应用程序，来进行3D打印过程的监控和控制。2013年4月，该公司开始与GE进行联合技术开发，旨在推进和实施金属喷气发动机组件的3D打印生产检验技术。该公司还在开发其他相关技术来解决3D打印金属市场的其他紧急需求。
3D打印会给通用航空带来什么?
大部分通用航空器结构简单，体积较小，以活塞发动机为动力，飞行速度慢，飞行高度低。相对主要采用涡轮动力的运输航空器，通用航空器在飞行过程中机身结构受力较小，而且很多适航标准也低于运输航空器，因此通用航空器可能是3D打印在航空领域最好的试验和推广平台。
3D打印率先进入无人机领域
3D打印一次加工成形的特点，可以有效减少航空器的连接部件，使航空器更加轻量化，有利于节省燃料或增加载荷。对于主要执行监视、航拍等任务的无人机(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)来说，这个特点正好满足其长航时、低能耗的设计要求。2011年8月，英国南安普顿大学的小型航空器研究人员设计并试飞了世界上第一架3D打印的电动无人机SULSA (Southampton University Laser Sintered Aircraft)，该飞机翼展6.5英尺，最高时速100英里/小时，其机翼、控制舵面等部件都是3D打印生产的，不需要任何螺丝结构便可直接组装。SULSA实际上是翼展4米的双引擎无人机2Seas的缩小测试版，2Seas未来将为英国、荷兰、比利时和法国的海岸警卫队执行长时间飞行监视任务，用于监视海洋非法捕捞和毒品运输船。
3D打印成为自制飞机的新工具
对于航空器设计者来说，3D打印不仅能够使飞机轻量化和节省燃油，更能够抛开传统加工工艺和工具束缚，使以前难以生产加工的外形或结构都不再是问题，因此3D打印技术一出现，就引起了国外航空器自制爱好者的广泛关注。他们可以使用3D打印生产出气动特性更佳的机翼、机身结构，从机身重量和外形两方面提升航空器的性能，甚至可以为用3D打印生产与自己的航空器相配套的专用工具。在美国全美实验飞机协会(Experimental Aircraft Association, EAA)的论坛上，就有很多人探讨交流3D打印技术的应用经验，并分享自己的设计文件。
3D打印或许能解决我国通用航空的航材问题
目前，我国通用航空机队规模为1610架，涉及到国内外制造商30余家，机型型号150余个，其中70%为进口机型。由于机队规模偏小，机型繁多复杂，除了航空器较多的个别航空学校和大型通用航空企业自有航材库外，航材保障一直是困扰大部分通用航空企业的一个问题，一定程度上也限制了我国通用航空业的发展。
然而，我国通用航空正处于快速发展的阶段，仅2013年前10个月就增加了290架航空器，新建了29个通航企业。航材保障问题在通用航空这种发展趋势下将日显突出，并亟待解决。适用于多品种、小批量、结构复杂、原材料价值量高的结构制造的3D打印技术，或许能够在一定程度上缓解航材供应紧张的状况。从技术基础上来说，我国是世界上较早掌握激光成形钛合金大型主承力构件制造、应用的国家，中航工业在C919和直升机的零部件生产上，也已经进行了3D打印的尝试。随着3D打印技术的进一步发展，配备符合技术要求的3D打印机和制造商授权的设计文件后，通用航空器航材在国内实现定点按需打印，突破品牌和型号的限制不是没有可能。
(原文发表于《空运商务》2013年第12期，本文略有修改)
（本文仅代表作者观点，中国民用航空网保持中立。）
