彻底改变航空航天：先进的 3D 打印材料、工艺和分类

3D打印，也称为增材制造，在航空航天工业中受到高度重视。在减轻重量或阻力可以节省大量成本的行业中，3D 打印使航空航天制造商能够以更具成本效益的方式制造更轻、更省油的飞机。航空航天工业是最早广泛采用3D打印制造关键部件的行业之一，该工艺重新定义了设计和制造的界限。航空航天工程师在某些 3D 打印工艺的开发中发挥了重要作用，随着 3D 打印作为一种制造工艺的成熟，该行业如今继续受益。

从夹具和原型工具到喷嘴甚至火箭主体等最终用途零件，航空航天领域的 3D 打印既可用于辅助制造过程，又可满足飞机内的特定应用。本文将讨论航空航天领域的 3D 打印、所使用的材料和工艺及其不同的应用。

什么是 3D 打印？

3D打印，也称为增材制造，是一种逐层创建零件直至整个三维零件完成的制造过程。它与 CNC（计算机数控）加工等减材制造工艺相反，在 CNC 加工中，从工件上去除材料来制造零件。 3D 打印可用于制造用于航空航天、汽车、医疗、机械等多个行业的小饰品、简单工具和先进组件。虽然 3D 打印技术自 21 世纪 80 年代以来就已存在，但自 21 世纪初以来，随着增材制造已成为生产需要多种工艺制造的零件的良好替代方案，其使用呈爆炸式增长。

航空航天工业何时开始使用 3D 打印？

航空航天业是20世纪90年代最早实施3D打印的行业之一。自20世纪80年代3D打印技术诞生以来，航空航天业一直是3D打印工艺和技术发展的最大贡献者之一。如今，该行业仍然是该工艺的最大受益者之一，占增材制造行业总收入的近15%-20%（取决于来源和市场波动）。

3D 打印是如何开始进入航空航天行业的？

3D 打印在航空航天领域的起源可以追溯到 20 世纪 80 年代末。当时，3D打印最大的受益者是美国军方和国防工业。这些行业广泛使用塑料作为金属的廉价替代品来对各种飞机系统和部件进行测试和模拟。

3D 打印主要用于航空航天业的原型设计和测试，直到 2000 年代中期，才可以通过选择性激光烧结 (SLS) 和熔融沉积成型 (FDM) 等工艺来 3D 打印阻燃塑料。随着 3D 打印在 21 世纪前二十年的持续进步，其在航空航天应用中的应用不断扩大。现在，它用于整个航空航天部件生命周期的应用，包括原型设计和验证设计、工具、飞机维护夹具、喷气发动机的最终使用部件以及飞机内饰。

航空航天应用 3D 打印使用哪些材料？

航空航天工业应用中使用了多种不同的材料。常用材料列举如下并说明：

1。陶瓷

陶瓷是无机非金属材料。由于其耐腐蚀、轻质、耐高温和耐磨性，它们非常适合航空航天应用。然而，陶瓷非常硬且脆，使得它们难以制造成零件。高岭土和瓷土是可以通过 3D 打印来制造零件的陶瓷的两个例子。陶瓷3D打印可用于制造由碳化硅制成的卫星镜组件，目的是减轻重量并提高刚强比。

2。碳纤维

碳纤维是长、特别细但坚固的碳原子链。碳纤维复合材料非常适合航空航天应用，因为它们与钢一样坚固，但比铝轻。这使得制造商能够通过将 3D 打印碳纤维部件集成到飞机框架和结构中来提高飞机性能。然而，碳纤维价格昂贵且生产难度大，限制了其在航空航天领域的潜在应用。

3。金属

金属是天然存在的材料或合金材料，与其他材料相比，金属是优良的热导体和电导体。铝、钛和镍基高温合金等常见航空航天金属因其耐腐蚀性和高强度重量比而被广泛使用。 3D 打印金属用于发动机部件、框架、结构和电子设备。金属的一个主要缺点是它们相对致密，在飞机中过度使用金属会对飞机性能和燃油效率产生不利影响。

4。聚合物

聚合物是由重复分子链组成的材料。航空航天领域聚合物的常见示例包括合成热塑性塑料，例如尼龙、PEEK 和 ULTEM 9085（聚醚酰亚胺的一种形式）。这些材料可用于 3D 打印座椅靠背、墙板和通风管道等内部组件。一般来说，聚合物非常适合航空航天应用，因为它们重量轻且耐用。然而，与金属相比，聚合物较弱，不能用于通常首选金属的高承载应用。有关详细信息，请参阅我们的“什么是聚合物”指南。

5。铬镍铁合金®

Inconel® 是一种镍铬基高温合金，因其高温强度以及出色的抗蠕变性和耐腐蚀性而受到重视。在 3D 打印航空航天应用中，Inconel® 通常用于喷气涡轮发动机中来制造燃料喷嘴。铬镍铁合金的主要缺点是它是一种昂贵的材料。有关详细信息，请参阅我们的“什么是铬镍铁合金金属”指南。

6。复合材料

复合材料是由两种或两种以上性能互补的组成材料组成的。复合材料具有高强度、低重量等结构优势，以及更高的耐磨性。由于不同材料的理想特性具有协同作用，用于飞机 3D 打印的复合材料可以制造出更轻且结构弹性更强的飞机。 3D 打印复合材料的缺点是价格昂贵。

3D 打印航空航天结构部件的插图。

航空航天工业中的 3D 打印流程有哪些步骤？

3D 打印可以帮助验证零件设计和功能，并可用于中小批量生产。下面列出并描述了航空航天工业中使用的 3D 打印过程的各个部分：

1。设计

航空航天设计通常从展示特定飞机部件的概念模型开始。模型在 CAD 软件中创建，然后导出为 3D 打印机友好的文件格式，例如 .stl。

2。准备工作

在使用 3D 打印机制造设计之前，必须完成某些准备工作以确保最佳的打印质量。准备方法会根据零件几何形状、3D 打印类型和所使用的打印机而有所不同。零件模型必须在打印机中进行配置和定位，以确保最佳质量。此外，一些打印机，如 FDM（熔融沉积建模）和 SLS（选择性激光烧结）打印机，需要在使用前加热打印床或构建平台。 

3。打印

根据需要配置 3D 模型并根据 3D 打印和所使用的打印机类型正确准备 3D 打印系统后，就可以制造零件了。打印时间从几分钟到几天不等，具体取决于零件的尺寸和所使用的打印类型。

4。后处理

3D 打印完成后，可以从成型托盘中取出零件。大多数 3D 打印零件都需要进行一些后处理。然而，用一种方法打印的零件可能比用另一种方法生产的零件需要更多的后处理。例如，FDM 打印部件通常只需要去除支撑材料，而 DED（直接能量沉积）打印部件则需要额外的加工工艺才能获得所需的尺寸。

5。测试

后处理完成后，将对 3D 打印部件进行测试和评估。如果需要修改设计，3D 打印使设计人员能够快速创建和测试新设计。当3D打印零件的预期功能得到满足后，该零件可以通过3D打印进行中小批量生产，也可以通过更传统的方法进行制造。

6。零件认证

零件认证是航空航天业的重要一步，可确保 3D 打印组件满足严格的安全、性能和监管要求。认证过程可包括材料测试、机械测试以及遵守航空航天标准，例如美国联邦航空管理局 (FAA) 或欧盟航空安全局 (EASA) 的标准。零件可能需要经过广泛的验证程序，以证明其在现实航空航天条件下的可靠性、耐用性和性能。 

一旦部件获得认证，就可以批准用于生产飞机和航空航天应用，确保符合行业法规和安全标准。

航空航天工业中使用的 3D 打印有哪些不同类型？

有几种不同类型的 3D 打印可用于航空航天业。下面列出了这些内容：

1。熔融沉积成型 (FDM)

熔融沉积建模 (FDM) 是一种 3D 打印，利用挤出的热塑性长丝逐层制造零件。熔融塑料从喷嘴挤出到成型托盘上。当第一层冷却时，沉积下一层。这个过程逐层重复，直到整个零件完成。 FDM 打印在航空航天领域最初用于原型设计和设计验证目的，但近年来，它已被用于生产功能性飞机零件。

2。立体光刻（SLA）

立体光刻 (SLA) 是一种 3D 打印工艺，利用精确放置的光敏聚合物树脂，通过紫外线固化，逐层制造零件。 SLA 提供非常高的分辨率，通常用于制作风洞测试模型。 

3。选择性激光烧结（SLS）

选择性激光烧结 (SLS) 是一种 3D 打印工艺，可精确地烧结和熔化热塑性粉末，逐层形成零件。当一层完成后，会沉积更多粉末，成型托盘下降，然后重复该过程。 SLS 非常适合以高分辨率生产具有复杂几何形状的零件。航空航天领域的SLS 3D打印通常用于小批量生产风道等柔性气流部件和喷嘴边框等耐热部件。

4。电子束熔炼 (EBM)

电子束熔化 (EBM) 是一种使用导电金属粉末和电子束逐层制造零件的 3D 打印工艺。打印过程必须在真空中进行，以防止气体分子干扰电子束发射的能量。电子束将金属粉末加热到极高的温度，使其熔化并熔合在一起形成零件。 EBM 可用于制造发动机部件等金属零件。

5。直接能量沉积（DED）

定向能量沉积 (DED) 是一种 3D 打印工艺，使用电子束、激光或等离子弧等能源来熔化从喷嘴沉积的粉末或细丝。该过程与 EBM 类似，但不需要真空即可完成。 DED 打印通常用于制造喷气涡轮发动机中的金属零件，并可用于修复传统制造的金属零件

航空航天工业中使用的 3D 打印机有哪些不同类型？

航空航天工业中使用的不同类型的3D打印机描述如下：

1。粉床熔融 (PBF) 机

粉床熔融 (PBF) 机是一种 3D 打印机，可沉积粉末并通过 SLS 或 EBM 等工艺将粉末熔合在一起。 PBF 机器的优点包括能够回收未使用的粉末用于未来的打印工艺、多种塑料和金属材料可供选择，以及生产零件所需的支持最少。 PBF机的缺点包括打印零件的功率要求高、零件容易热变形、打印时间慢。

2。熔融沉积成型 (FDM) 机

FDM 机器是通过逐层挤出塑料丝来制造零件的 3D 打印机。 FDM 机器具有多种优势，包括成本低、占地面积小以及可用于打印的材料种类繁多。然而，FDM 机器也有缺点。 FDM 打印的零件容易翘曲，并且在垂直于打印层的方向上较弱。此外，FDM 机器容易出现喷嘴堵塞，并且经常需要床校准。

3。立体光刻 (SLA) 机器

SLA 机器是 3D 打印机，通过使用发射 UV 的 LCD 屏幕或激光固化光敏聚合物来制造零件。 SLA 机器的优点包括能够打印高度精确的零件、能够为未来的打印作业节省未使用的树脂以及能够打印复杂的图案。然而，SLA 机器的缺点包括前期和维护成本较高，而且树脂不环保。

4。直接能量沉积 (DED) 机

直接能量沉积 (DED) 机是一种 3D 打印机，通过使用激光、等离子弧或电子束等聚焦热源来熔化粉末或细丝来生产零件。 DED 打印机的主要优点是它可以控制打印部件的颗粒结构，并且可以用很少的工具制造大型部件。 DED 机器的缺点包括制造的零件精度较差，并且需要进行后处理以获得所需的尺寸。此外，DED 机器价格昂贵，成本可能超过 500,000 美元，这对许多组织来说可能是一个障碍。

5。连续纤维3D打印

虽然 FDM 可以打印复合聚合物，但它们倾向于使用短切纤维，这会降低较长碳纤维的固有强度。使用连续纤维 3D 打印系统（例如 Markforged），连续长度的碳纤维沉积在打印床上，使最终部件保留散装碳纤维的强度。碳纤维丝通常涂有热塑性塑料，当它通过喷嘴时被加热，使碳纤维丝粘合到它之前的层上。

3D 打印零件在飞机工业中有哪些类型的应用？

下面列出了一些可以通过 3D 打印为飞机工业制造的零件示例：

1。发动机部件

用于发动机部件的材料必须承受高机械应力和热应力。燃料喷嘴等零件可以通过 EBM（电子束熔化）和 DED（直接能量沉积）等 3D 打印工艺制造。使用这些工艺生产的喷嘴不仅效率更高，而且喷嘴本身比传统制造方法制造的喷嘴更轻。这为飞机性能和环境影响带来了显着的积极效益。

2。结构组件

结构部件是帮助形成和支撑飞机刚体的内部和外部部件。支架和叉骨等结构部件可以使用钛、钛合金、铜和镍合金，通过 EBM 和 DED 等 3D 打印工艺制造。

3。维护和修理

飞机定期进行维护和修理，以确保其安全使用和长寿命。 EBM和DED等3D打印方法可用于用钛、不锈钢和铜等金属制造飞机维护和修理所需的夹具、固定装置和工具。

4。内饰组件

飞机的内部组件包括从航空电子设备到门锁和灯具等机舱配件的所有部件。 FDM（熔融沉积成型）和 SLS（选择性激光烧结）是两种流行的 3D 打印方法，常用于制造飞机塑料内饰部件。

5。原型设计和工具

原型设计和工具制作是指与设计和测试新设计概念以及开发相关工具相关的过程。 3D 打印非常适合为航空航天工业创建原型和工具，因为它能够按需制造复杂的零件，并且几乎不需要设置工作。这样可以快速开发和测试新产品。

什么是 3D 打印航空航天零件？

以下是全部可以通过3D打印制造的机械航空零件：

1. 燃油喷嘴
2. 涡轮叶片
3. 外壳
4. 机翼
5. 门闩
6. 管道工程
7. 座椅靠背
8. 面板
9. 修剪碎片
10. 发动机组件
11. 火箭体
12. 油箱
13. 航天器零件

3D打印技术在飞机行业有哪些优势？

3D打印在飞机工业中的应用有几个优势。它们的描述如下：

1. 减轻重量：3D 打印可用于用更轻的塑料部件替代金属部件。 3D打印生产的部件将减轻飞机的整体重量，从而降低燃油消耗并提高飞机的性能。
2. 成本效益：与传统制造工艺生产的零件相比，3D 打印零件的制造工艺步骤要少得多。这有助于降低总体生产成本和浪费。

3D打印技术在飞机工业中的缺点是什么？

3D打印在飞机工业中也存在一些缺点。一些缺点描述如下：

1. 可用材料有限：虽然许多广泛使用的塑料和金属都与 3D 打印兼容，但数千种合金和化合物仍然不兼容。这一事实限制了 3D 打印在航空航天工业中的潜在应用。
2. 薄弱的零件结构：一些 3D 打印方法，例如 FDM（熔融沉积建模）和 SLS（选择性激光烧结），生产的零件具有各向异性（特性因施加负载的方向而异）。这对于某些承载部件来说可能是不受欢迎的，并且限制了航空航天工业中各种 3D 打印应用的潜力。

   3.认证过程耗时：航空航天是一个安全驱动的行业，新材料和新工艺必须经过认证和鉴定才能在飞机上使用。这可能既耗时又昂贵。

谁在飞机工业中使用 3D 打印？

研发公司、飞机制造商和维修公司都在使用 3D 打印。 3D打印可用于航空航天零件的快速原型制作，以及用于飞机维护的最终用途航空航天部件、夹具、固定装置和工具的小到中批量生产。

3D打印技术未来在航空领域可能有哪些应用？

3D 打印是一个持续对航空航天业产生积极影响的工艺。它有望减少航空航天业对环境的负面影响，促进行业内的创新，并在未来几年提高飞机性能和制造效率。 3D打印机翼和绿色航空只是未来3D打印在航空航天领域应用的两个例子。

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1. Inconel® 是 Special Metals Corporation 的注册商标。

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迪恩·麦克克莱门茨

Dean McClements 是机械工程荣誉学士学位毕业生，在制造业拥有二十多年的经验。他的职业生涯包括在 Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace 和 Hyster-Yale 等领先公司担任重要职务，在那里他对工程流程和创新有了深入的了解。

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