革新航空航天：3D 打印结构部件

毫无疑问，在过去的几年里，您已经听过很多关于 3D 打印和增材制造的炒作，（在媒体上）人们期望“传统”工厂很快就会不复存在。关于神奇的新方法、直接打印塑料、橡胶和金属零件以及军用和轨道打印替换零件的讨论正在预示着新的曙光。

也许吧。

然而，在一个领域，影响是非常真实和直接的，至少一些炒作并没有完全错误！

随着3D打印技术的快速进步，航空航天工业正处于革命之旅的起跑线，特别是在精度较低、功能较简单的结构部件领域。 3D 打印已经成为一种改变游戏规则的技术，可以快速创建复杂的定制零件，只要您不想寻找低成本的解决方案即可。

3D 打印可用于制造极其轻质且耐用的部件，而这些部件原本很难制造，从而最大限度地提高性能和燃油效率，同时遵守该行业非常严格的安全标准。要了解这项突破性技术的全部潜力，有必要检查 3D 打印的核心事实和前沿预期以及它们如何应用于航空航天制造要求。

在本文中，我们将探讨 3D 打印的复杂性以及它如何改变航空航天领域结构部件制造的未来，为您提供入门知识，以便能够从一个自信（且无炒作）的起点扩展您的知识。

3D 打印航空航天结构部件的目的是什么？

航空航天结构部件 3D 打印的主要目标是以商业上可行且严格遵守适用的安全和环境标准以及飞机安全要求的方式制造部件。快速生产复杂、轻质的零件和定制组件，可实现快速维护/开发周期并保持飞机和航天器的性能，有助于实现可靠/安全且经济高效的飞行。使用传统方法生产速度慢或不可能生产的复杂几何形状现在可以使用 3D 打印快速生产。借助 3D 打印，航空航天业正在开始新的创新流程。

哪些航空航天结构部件可以进行 3D 打印？

适合增材制造的航空航天结构部件包括：

1. 燃油喷嘴。
2. 涡轮叶片。
3. 无人机。
4. 卫星帧。
5. 控制面执行器

航空航天结构部件的 3D 打印如何工作？

航空航天结构和功能组件正在使用 CAD（计算机辅助设计）数据进行 3D 打印，通过沉积和熔化材料，逐层快速构建成品零件，将其处理成真实物体。以下列表更详细地概述了此过程：

1. CAD 设计的 3D 模型是整个流程的基础。
2. 为了创建组件，3D 打印机构建设置软件将设计解释为一系列可由打印机读取的切片和构建参数指令。
3. 3D 打印机将金属或聚合物等长丝、液体或粉末形式的材料放置到构建平台上，将其与自身以及下面的层融合。
4. 逐层增加高度，直到组件完成。
5. 零件被移除、清洁并进行后处理。这可以是手动或自动的，可能涉及支撑结构去除、介质喷砂或二次精加工。
6. 如果需要更高的精度（例如轴承面或孔径），可能需要进行一些后加工。

除了快速构建具有复杂几何形状的零件、减少材料浪费以及生产性能改进的轻质组件之外，3D 打印还为工程师提供了比其他制造方法更多的设计自由度。

3D打印在航空航天行业有哪些优势？

3D打印在航空航天领域的典型优势有：

1. 增材制造可以将子组件整合为单个组件，否则无法制造这些组件。减少零件数量还可以降低 FOD 或异物碎片的风险。
2. 增材技术可以在设计中创造复杂性，而这在其他方法中是不可行的，而使用不太先进的方法。 3D 打印不需要像机械加工那样符合视线特征。
3. 3D 打印的性质允许快速迭代设计更改，除了 3D 切片机中的模型之外，无需更改任何制造设备。
4. 这些流程使设计师和制造商能够在世界上任何有设备的地方进行快速、按需生产，从而缩短上市时间和供应链成本，并降低现场基础设施的复杂性。
5. 通过战略性且谨慎地应用增材生产工艺，供应链变得更加精简、更加可靠且更加一致。

3D 打印在航空航天工业中的缺点是什么？

3D打印在航空航天领域的缺点包括：

1. 根据所使用的技术以及零件功能所需的精度水平，其中一些零件需要额外的后处理。此阶段涉及其他任务，包括精密加工、抛光和涂层，以根据特定需求完善 3D 打印组件。后处理通常需要精细且熟练的手工劳动，因此增加了生产时间和成本。这可能与打印零件的成本成正比，从而削弱了简化制造无疑带来的好处。
2. 在许多情况下，由于缺乏精确的可选材料等级，可通过 3D 打印获得的大量组件受到限制。航空特定法规需要专门且严格指定的材料。因此，航空航天工程领域受到材料选择数量的限制，限制了该技术在创新/转型阶段制造更广泛飞机元件的能力。
3. 在提高生产效率的同时，3D 打印驱动的生产可以大大降低成本效率。当组件成本超过进度成本时，它就无法发挥作用。然而，作为一种极快地创建对成本不敏感的复杂零件的方法，它的地位正变得越来越重要。

3D 打印航空航天结构部件应用的示例有哪些？

人们已经探索了 3D 打印结构部件在航空航天领域的各种应用，但在飞行中的应用仍然有限。机翼支架、飞机执行器部件、无人机旋翼叶片、燃油喷嘴、燃烧室，甚至发动机内部结构的一部分都是牵引式和广受欢迎的部件的一些例子。这些用途凸显了这种制造方法在影响该行业的潜力方面的卓越适应性和潜力。显然，3D 打印正以其无限的可能性重塑该行业的制造流程。

航空航天结构件3D打印使用哪些材料？

航空航天结构部件3D打印所使用的部分材料包括：

1。钛合金

钛是一种非常适合航空航天领域的高性能材料，其高成本并不令人望而却步，而其强度重量比和卓越的腐蚀性能则极其有利。此外，钛零件生产所采用的制造工艺受到限制，生产难度相当大。增材制造可以解决大部分制造问题，并提供高性能零件，从而大大降低供应链阻力和物流困难。 

2.铝合金

铝绝不是钛的第二选择，因为它具有几乎相同的强度重量比，并且原材料和（传统）加工成本显着降低。增材制造材料的供应链变得更加容易，意味着有更多的选择，并且构建能量更低，从而可以使用更低功率的设备或更快的构建操作。铝通常为航空航天应用提供良好的腐蚀性能，并且可以通过阳极氧化显着增强这一性能，在部件上形成受控且精确的氧化膜，即使在潮湿的情况下也能排除氧气。

3.镍合金

镍合金在高温下具有优异的性能以及出色的耐腐蚀性。 3D打印镍合金零件引起了航空航天领域的广泛兴趣，特别是涡轮叶片的实验使用、燃烧室的实际飞行应用、燃气轮机的排气零件以及热使用的火箭发动机部件。镍高温合金在提高关键系统的整体效率和可靠性方面发挥着至关重要的作用。

4。不锈钢

多种等级的不锈钢广泛用于各种非航空航天领域的增材制造，为工具、工业设备等带来强度和卓越的耐腐蚀性。不锈钢 3D 打印零件可以为航空航天领域的高应力应用提供坚固、耐用的结构和功能组件。支撑航空和航天器起落架成功运行的零件（包括支柱和支撑结构）均由该合金系列制成，必须满足着陆时惊人的冲击力要求。耐腐蚀、强度和耐用性的独特组合使不锈钢与众不同，并使其成为该领域强度关键（而不是重量关键）部件的理想选择。尽管不锈钢的强度更高，但铝的强度重量比明显优越，但在循环载荷下的弹性较低。

5。碳纤维增强聚合物（CFRP）

碳纤维增强聚合物 (CFRP) 正在迅速成为许多需要低重量和高强度的应用中的良好材料选择。 CFRP 结合了聚合物的轻质和金属的强度。它们通过提高燃油效率、减少排放、增强飞机和航天器的整体性能/升力以及提高抗冲击能力，在航空航天工业中发挥着越来越重要的作用。 CFRP 可以将飞机的重量减轻多达 20%。使用连续碳纤维 3D 打印具有各种芯形状的夹层结构，可应用于航空航天领域的一系列结构元件，与其他高价值领域一样。现代飞机的升降舵、方向舵和转向叶片通常采用碳纤维增强聚合物 (CFRP) 夹层结构作为飞行控制面。

6。高性能聚合物

与工程应用中常用的许多标准聚合物相比，PEI (ULTEM)、PEEK、PEKK 和 PPSU 等高性能聚合物表现出卓越的机械性能和耐高温性能。尼龙、ABS（丙烯腈丁二烯苯乙烯）或聚乙烯等聚合物在负载和热量下更加脆弱。将不连续碳纤维与高性能聚合物 PEKK 相结合，可提供性能大大提高的复合材料。 

7。陶瓷复合材料

陶瓷复合材料越来越多地可用于增材制造工艺，但由于专业领域之外的知识库有限，它们的采用速度很慢。它们的优势非常明显——韧性、硬度高，并且具有出色的耐高温性能，使其成为要求极高的航空航天应用的理想选择。使用增材制造打印的陶瓷零件在航空航天领域具有巨大的潜力，具有重量轻、强度高和良好的环境适应能力，但必然需要严格的安全认证，非常耗时且尚未实现。尽管 IJP 和 3DP 等技术可以生产多孔材料，但适当的表面处理和密封剂却很少。要了解更多信息，请参阅我们的“什么是陶瓷”指南。

8。因瓦合金

因瓦合金是一种不寻常的镍铁合金，以其极低的热膨胀系数而闻名。这使得它非常适合在高度变化的温度条件下需要尺寸稳定性的应用，这种特性也延续到了增材制造中。这种独特的特性使其在包括航空航天工程在内的各个行业中具有无价的价值。 Invar 在 3D 打印中的创新应用是一种开创性的方法，目前仍处于实验阶段，有望在尺寸控制和稳定性方面提供增强的功能。

9。钽

在航空航天领域，钽用于承受高温和高应力操作的关键部件。钽的耐热腐蚀性在航空航天应用中特别有利，在航空航天应用中，燃气轮机经常暴露在废气、热湿气和快速变化的温度下。钽与其他难熔金属一样，通过传统方式加工非常困难，但增材制造消除了这些挑战。具体应用包括：涡轮叶片、卫星推进喷嘴段以及高超音速飞行部件。

10。钴铬合金

钴铬合金因其良好的性能组合而被使用——高强度、耐磨性和生物相容性。它们越来越多地出现在航空航天应用中，特别是燃气涡轮发动机部件中，因为它们能够承受高温和快速变化的机械应力。钴铬合金在航空航天领域用于发动机部件、飞机结构部件、火箭发动机部件和隔热罩。有关详细信息，请参阅我们的超级合金指南。

3D 打印航空航天结构部件需要满足任何监管标准吗？

是的。在投入飞机使用之前，3D 打印的航空航天结构部件需要经过严格的测试并获得 FAA 或 EASA 的批准。该行业必须高度重视可靠性和安全性，以保护生命（和设备），因此这些组件必须经过严格的测试和验证程序。美国联邦航空管理局 (FAA) 和欧盟航空安全局 (EASA) 等监管机构采取了严格的控制措施。这些标准保证了飞机安全可靠的运行。

航空航天领域 3D 打印结构部件的未来是什么？

增材制造在航空航天工业中的应用正在不断增长。尽管这种新兴的高成本供应目前存在价格影响，但航空航天制造商正在逐渐将一些承重和热区域部件从传统铸造转向 3D 打印。该行业对增材制造技术的渗透率和需求持续增长。由于打印技术的发展提高了性能并降低了价格，预计未来一段时间内 3D 打印在航空航天领域的使用将会增加。有关详细信息，请参阅我们的 3D 打印机工作原理指南。

航空航天结构件的 3D 打印与传统制造有何不同？

航空航天3D打印结构部件所使用的工艺和材料与传统制造中使用的工艺和材料有着天壤之别。 3D 打印使用增材技术从数字模型逐层构建零件，而不是像机械加工这样的减材工艺或像铸造这样的一体式工艺。由此，复杂的几何形状、大大减少的浪费以及敏捷的开发/测试周期成为可能。许多材料都有潜力通过 3D 打印来替代机械加工、成型或铸造程序。

凯特·德·纳乌姆

Kat de Naoum 是一位来自英国的作家、作家、编辑和内容专家，拥有 20 多年的写作经验。 Kat 拥有为各种制造和技术组织写作的经验，并且热爱工程领域。除了写作之外，Kat 还担任了近 10 年的律师助理，其中 7 年从事船舶融资工作。她为许多出版物撰写文章，包括印刷版和在线版。 Kat 拥有金斯顿大学英国文学和哲学学士学位以及创意写作硕士学位。

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