航空航天 3D 打印：先进材料、工艺与分类的革新

3D 打印（增材制造）在航空航天业备受重视。在减重或减阻能带来巨大成本节约的行业，3D 打印让制造商以更具成本效益的方式制造更轻、更省油的飞机。航空航天业是最早大规模采用 3D 打印制造关键部件的行业之一，该工艺重新定义了设计制造边界。航空航天工程师在特定 3D 打印工艺开发中发挥关键作用，随着 3D 打印成熟为制造工艺，行业持续受益。

从夹具、原型工装到喷嘴、甚至火箭本体等终端部件，航空航天 3D 打印既辅助制造流程，又满足飞机特定应用。本文探讨航空航天 3D 打印的材料、工艺、应用。

什么是 3D 打印？

3D 打印即增材制造：逐层创建零件直到完整三维零件成型。与 CNC 加工等减材制造（从工件去除材料）相反。可制造饰品、简易工具、及航空航天、汽车、医疗、机械等多行业先进部件。技术虽 1980 年代存在，21 世纪以来因成为需多工序零件的可靠替代方案而爆发式增长。

航空航天业何时启用 3D 打印？

1990 年代航空航天业成为最早实施 3D 打印的行业之一。自 1980 年代技术诞生，航空航天业即为 3D 打印工艺技术发展最大贡献者之一。今日仍是最大受益者之一，占增材制造行业总收入近 15%–20%（视来源及市场波动）。

航空航天 3D 打印如何起步？

溯源至 1980 年代末。当时最大受益者为美军和国防工业。广泛用塑料作为金属廉价替代，测试模拟各类飞机系统部件。

直至 2000 年代中期，航空航天 3D 打印主要用于原型验证。随着 SLS、FDM 等工艺实现阻燃塑料打印，应用扩展。21 世纪前二十年技术持续进步，应用覆盖航空航天部件全生命周期：原型验证设计、飞机维修工装夹具、喷气发动机终端部件、飞机内饰。

航空航天 3D 打印应用材料

1. 陶瓷

无机非金属材料。耐腐蚀、轻量、耐高温、耐磨，适配航空航天。但极硬脆难加工。高岭土、瓷泥可 3D 打印成件。陶瓷 3D 打印可制造碳化硅卫星镜面部件，目标减重提升刚强比。

2. 碳纤维

细长但强韧的碳原子丝。复合材料强度匹敌钢、重量轻于铝，制造商可集成 3D 打印碳纤维件至机身结构提升性能。但成本高、制造难，限制应用潜力。

3. 金属

天然或合金材料，导热导电优于其他材质。铝、钛、镍基高温合金等常用航天金属因耐腐蚀、高比强度广泛应用。3D 打印金属用于发动机部件、机身结构、电子设备。缺点：相对致密，过度用金属损害飞机性能燃效。

4. 聚合物

重复分子链材料。航天常用合成热塑性聚合物：尼龙、PEEK、ULTEM 9085（聚醚酰亚胺）。可 3D 打印座椅靠背、壁板、风管等内饰件。聚合物轻量耐用适配航天，但强度弱于金属，高承载场景仍首选金属。

5. Inconel®

镍铬基高温合金，以高温强度、优异蠕变/耐腐蚀性著称。航天 3D 打印常用于喷气涡轮发动机燃油喷嘴。主要缺点：材料昂贵。

6. 复合材料

两种以上互补性能基体材料复合。结构优势：高强低重、耐磨增强。3D 打印复合材料让不同材料优势协同，打造更轻更坚韧飞机。缺点：成本可能高。

航空航天 3D 打印流程步骤

1. 设计

航天设计常从概念模型起步，展示特定部件。CAD 软件建模，导出 .stl 等打印友好格式。

2. 准备

打印前必须完成准备工作确保最佳质量。准备方法随零件几何、打印类型、打印机而异。模型须在打印机中配置定向以保最佳质量。FDM、SLS 等打印机要求预热打印床/构建平台。

3. 打印

模型配置就绪、系统按类型和机器准备完毕后开始制造。打印时长视零件大小和打印类型，从几分钟到数天不等。

4. 后处理

打印完成取出零件。多数需后处理，不同方法所需程度不同。如 FDM 件常只需去除支撑；DED（定向能量沉积）件需额外加工获取目标尺寸。

5. 测试

后处理完成后测试评估。需设计修改时，3D 打印支持快速迭代新设计。功能满足后可小批量 3D 打印或转传统工艺量产。

6. 部件认证

认证是航空航天关键环节，确保 3D 打印部件满足严格安全、性能、法规要求。含材料测试、力学测试、遵循 FAA 或 EASA 等航天标准。零件可能需大量验证程序证明在真实航天条件下的可靠性、耐久性、性能。

认证通过后，可批准用于生产飞机和航天应用，确保符合行业法规和安全标准。

航空航天应用的 3D 打印类型

1. 熔融沉积建模 (FDM)

用挤出热塑性丝材逐层成型。熔融塑料经喷嘴挤出到构建托盘。首层冷却后沉积下层，循环至完件。航天 FDM 最初用于原型验证，近年用于功能飞机部件生产。

2. 光固化成型 (SLA)

用精准定位光敏聚合物树脂经 UV 光固化逐层成型。极高分辨率，常用于风洞测试模型。

3. 选择性激光烧结 (SLS)

精准烧结熔融热塑性粉末逐层成型。层完成后铺粉、构建平台下降、循环。擅长复杂几何高分辨率成型。航天 SLS 常用于柔性气流部件（风管）、耐热件（喷嘴挡板）小批量生产。

4. 电子束熔融 (EBM)

用导电金属粉末和电子束逐层制造。必须真空环境防气体分子干扰电子束能量。电子束将金属粉末加热至极高温熔融结合。可制造发动机部件等金属件。

5. 定向能量沉积 (DED)

用电子束、激光、等离子弧等能源熔融喷嘴沉积的粉末/丝材。工艺类 EBM 但无需真空。DED 常用于喷气涡轮发动机金属件制造，也可修复传统制造金属件。

航空航天用 3D 打印机类型

1. 粉末床熔融 (PBF) 设备

通过 SLS/EBM 等工艺沉积熔融粉末。优势：未用粉末可回收、塑料金属材料选择广、支撑需求少。劣势：高功耗、易热变形、打印慢。

2. FDM 设备

挤出塑料丝材逐层成型。优势：低成本、占地小、材料丰富。劣势：易翘曲、垂直层向弱、喷嘴易堵塞、需频繁校平床。

3. SLA 设备

用 UV LCD/激光固化光敏聚合物。优势：高精度精准、未用树脂可存、可打印复杂精细图案。劣势：前期维护成本高、树脂不环保。

4. DED 设备

用聚焦热源（激光/等离子弧/电子束）熔融粉末/丝材。优势：可控晶粒结构、少工装制大件。劣势：精度差、需后处理达标尺寸、设备贵（超 $500,000），准入门槛高。

5. 连续纤维 3D 打印

FDM 打印复合聚合物常用切碎纤维，削弱长碳纤维固有强度。连续纤维系统（如 Markforged）将连续碳纤维沉积打印床，保留体材强度。碳纤维丝常涂热塑性涂层，过喷嘴加热与前层结合。

飞机行业 3D 打印件应用类型

1. 发动机部件

材料须耐高机械热应力。燃油喷嘴等可用 EBM、DED 打印。不仅生产更高效，打印件比传统制造更轻，显著提升飞机性能和环保效益。

2. 结构部件

构成/支撑飞机刚性机身的内外部件。支架、叉形件等可用 EBM、DED 以钛、钛合金、铜、镍合金打印。

3. 维修保养

飞机例行维修保障安全长寿。EBM、DED 可用钛、不锈钢、铜等金属打印维修所需夹具、工装、工具。

4. 内饰部件

涵盖航空电子设备到门锁、灯具等客舱配件。FDM、SLS 是塑料内饰件两大常用打印方法。

5. 原型与工装

设计测试新概念、开发相关工装。3D 打印因能按需少前期准备制造复杂件，极适合航天原型工装，实现新产品快速开发测试。

可 3D 打印的机械航天部件

1. 燃油喷嘴
2. 涡轮叶片
3. 外壳
4. 翼型
5. 门锁
6. 风管
7. 座椅靠背
8. 面板
9. 饰条
10. 发动机部件
11. 火箭本体
12. 燃料箱
13. 航天器部件

航空航天 3D 打印技术优势

1. 减重：以轻量塑料件替代金属件，降低整机重量，进而减油耗提升性能
2. 成本效益：工序远少于传统制造，降低生产成本和废料

航空航天 3D 打印技术劣势

1. 可用材料有限：虽多通用塑料金属兼容，但数千合金化合物仍不兼容，限制应用潜力
2. 零件结构弱：FDM、SLS 等产出各向异性零件（随载荷方向特性不同），不利于特定承载件，限制应用
3. 耗时认证流程：航天以安全为本，新材料工艺必须认证合格才能上机，耗时耗资

谁在用航空航天 3D 打印？

研发机构、飞机制造商、维修公司。用于航天部件快速原型、航天终端部件中小批量生产、飞机维修夹具工装工具。

航空领域 3D 打印未来应用展望

3D 打印持续正向影响航空航天业。将减轻环境负面影响、推动创新、长期提升飞机性能制造效率。3D 打印机翼、绿色航空仅是两例未来应用。

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