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▲航空航天零件的3D草圖

多年來，航空航天一直被證明是全球3D打印增長最快的應用之一。多品種、小批量、結構復雜等是航空航天獨有的產品特點，輕量化、低成本、快速研制的迫切需求與3D打印成型自由度高且快等特點高度契合。一些飛機制造商甚至可能利用簡短的停機時間來改造他們的飛機，建立數字庫存來維護老化的飛機，并使用先進的制造技術來制造下一代飛機。像我國的國產C919大飛機就是通過應用大量的3D打印技術來實現設計和試產的。

▲國產C919大飛機

下面讓我們來深入了解航空業為何使用3D打印，看看在飛機的生產中是如何利用這些共性優勢的：

零件整合

在零件組裝中最薄弱的點就是組裝的地方。就飛機而言，這樣的弱點可能會成為嚴重故障點，危及人類生命。

通過將零件的多個組件整合到單個3D打印構建中，裝配點的數量必然會減少。3D打印可能實現的獨特幾何形狀可以將通常有幾十個或數百個零件的零件減少到幾個——或一個零件。由于無需焊接、鉚接或其他緊固件來將零件固定在一起，不僅減少了裝配，而且還減少了潛在的故障點。

▲零件整合結構件（樣品來源：升華三維）

整合的部件越多，節省的成本就越大。如果某部分零件在組裝后被固定，這可能是一個整合設計的機會。在增材制造中，復雜性通常是免費的，最成功的零件盡可能多地利用這一公理。零件整合好處主要包括以下幾點：

減少裝配：這包括減少勞動力，庫存，夾具/工具以及專用于最終產品的制造占地面積。裝配檢查也減少了，極大地減少了裝配錯誤的機會。

減少故障點：長期降低維護成本，并且可以減少更換部件的庫存。如果需要，可以快速且經濟高效地進行小批量更換。

降低運營成本：由于增材制造，通過設計自由度優化零件，提高了產品性能，實現了零件輕量化和更好的熱性能等增強功能。

輕量化

對于用于飛行的設備來說，“克克是黃金”，每減重一公斤，就能節約幾十萬元的費用。重量更輕的部件意味著更少的燃料，不僅可以減少飛行的碳排放，還可以降低飛行成本。

▲輕量化結構設計

3D打印在傳統制造材料的基礎上不斷創新，在相同結構件中，利用性能更優異的3D打印材料配方，創造出更輕的最終零件。結合零件整合、3D打印拓撲優化、晶格結構等輕量化結構，就特別有利于飛行器的輕量化設計，使它的功能密度更高。

提升設計自由度

許多從事增材制造工作者都喜歡宣稱該技術提供了極大的“設計自由度”，因為首次可以實現其他制造工藝無法制造的復雜幾何形狀。

過去設計非常復雜的構件很難制造或者成本非常高，甚至根本無法制造。利用增材制造工藝，可以用相對簡單的方式生產高度復雜的二維或三維金屬部件，這是整體形成由實心和網格部分組成的結構部件的可行方式。

▲拓撲優化結構件（樣品來源：升華三維）

拓撲優化和生成式設計等設計方法，有效地助力了3D打印開發出以前從未想過的新形狀。這些復雜的晶格設計不僅通過只在必要的地方加入材料來減輕重量，而且通常比傳統設計更堅固。雖然某些限制仍然存在，并且可能因3D打印技術和使用的材料而異，但這些限制在許多方面都比傳統的減材制造工藝中看到的要少得多?？梢栽O計新的內部和外部飛機部件來替換陳舊的原始部件，更靈活設計技巧來增加極端功能。

快速原型迭代

最初使用3D打印的命名就是：快速原型制作。從草圖創意到CAD設計再到第一個原型——然后是第二個、第三個等等——3D打印加快了新產品的上市時間。用傳統工藝制造渦輪葉片，期間需要開模具，從設計到制造大約需要半年時間，而使用3D打印技術，可以在數天或數周內實現快速周轉和迭代。

小批量生產

在航空航天產業中，如按生產總量計算，與汽車或電器制造相比，生產的飛機數量相對較少。

高價值、小批量生產非常適合3D打印。許多傳統制造工藝需要制造昂貴的工具和模具，從而為大規模生產創造規模經濟，而增材制造則不需要模具。一次可以制作一件或幾件——包括在同一構建板上進行不同的設計——無需額外的成型或工具成本。

在傳統技術更具成本效益之前，增材制造與傳統制造的拐點通常需要制造成百上千個零件，雖然這可能最終將每個注塑成型零件的成本降低到幾分，但在那個交叉點之前，3D打印會更劃算。尤其是在使用高價值應用材料時，節省材料勢在必行。

數字庫存

當一架飛機接近其使用壽命的盡頭時，通?？梢酝ㄟ^更換某些部件來挽救它以使其繼續飛行。常規方式是通過使用實體倉庫來完成的，這些備件在需要時存放在貨架上。在大多數情況下，這些備件是與原始批量生產的OEM零件同時制造的，并留待磨損零件的更換需求使用。但是，如果這種需求永遠不會出現，那么它們不僅會浪費生產它們的時間和成本，還會浪費它們在貨架上存放多年的時間。更糟糕的是，如果需求來了，但備件卻缺貨，尤其是那些永遠停產的——缺少一小部分可能會使飛機停飛。

數字庫存方法不是將商品物理地放在貨架上，而是存儲可以3D打印的設計文件。在可任何地方和時間，使用適當的3D打印技術制造那些需要替換的零件，并且同樣不需要事先生產昂貴的模具或工具。而不是等待OEM延遲，從而減少了實體庫存的壓力，同時還能延長飛行壽命，而不至于因為某個小部件導致無法再飛行。

— 借助3D打印飛得更高、更遠 —

飛機的生產，從原型到備件，越來越多地受益于供應鏈中3D打印的使用。分散生產、新的設計可能性以及時間、材料和成本的減少正在為飛機保持高飛提供新的途徑。

增值制造工藝替代傳統制造，能夠節省模具成本，還能在多個方面實現降本增效。3D打印材料是3D打印技術發展的物質基礎，金屬、陶瓷、復合材料是3D打印領域的新興賽道。據Wohlers Associates Inc發布行業統計顯示，在3D打印下游應用行業，汽車工業、消費電子以及航空航天占比最大，金屬、陶瓷、復合材料將成為3D打印材料的“引爆點”。

在“中國制造2025”規劃背景下，3D打印成為我國推動智能制造的主線，航空航天是增材制造重要應用領域之一。目前，在國內外航空航天領域，高馬赫數、高機動性飛行器層出不窮并成為下一代航空航天飛行器的主要發展趨勢之一，它的設計需求對設計和制造工藝提出了更高的要求，其零部件大多數都具有尺寸大、異型復雜、結構多的特點，3D打印技術在大尺寸零件一體化制造、異型復雜結構件制造、批量定制結構件制造方面具有巨大的優勢。

升華三維是目前國內為數不多能提供金屬/陶瓷材料開發制備、金屬/陶瓷3D打印機研發生產、切片軟件開發到3D打印工藝、脫脂及燒結一整套金屬/陶瓷間接3D打印工藝鏈供應商。目前已與航空航天應用領域多個科研機構、高校和企業合作，致力于提供高性能、輕量化、精細微結構的陶瓷/金屬間接3D打印整體解決方案。