航空航天领域当前能接受金属3D打印零件的批量应用吗？

在本年度TCT亚洲3D打印展和珠海航展期间，“批量制造”成为了描述金属3D打印技术的最新词汇。”为航空航天零部件批量化生产提供更多可能 “”为量产而来“的新鲜字眼不仅让我们遐想，金属3D打印发展的这么快，这么可靠了吗？

品牌商如此宣传，自是因为有了可靠的案例来支撑这些说辞。以粉末床激光熔融（L-PBF）为代表的金属3D打印零件质量曾因产品一致性而受到怀疑，被认为只能做验证组件。但这种情况确实正在发生飞速改变——最典型的代表就是GE航空已经实现了超10万个喷嘴头的制造，并应用在当前最先进的发动机上：

• 波音777X搭载的GE9X
• 空客A320 NEO搭载的LEAP-1A
• 波音737MAX搭载的LEAP-1B
• 中国C919搭载的LEAP-1C

2022珠海航展上的LEAP发动机

它将原来由20个通过焊接制造的部件组合为一个精密整体，使产品重量比上一代减轻了25%，耐用度提高了5倍，成本效益上升了30%，它的复杂特征结构要求其只能采用3D打印工艺制造。这一案例的成功，表明金属3D打印实现批量化制造是可行的。

国内关于航空航天领域金属3D打印批量化制造的案例虽没有公布，但仍可以捕捉到蛛丝马迹。在航天六院最新的应用案例中有这样的表述，在85吨级开式循环液氧煤油发动机的研发和制造过程中，“3D打印的关键零组件在长期试验中进行了数十次可靠性考核”。这从侧面证明金属3D打印技术制造的零件质量是可靠的，能够被航空航天领域所接受。接下来，3D打印技术参考将从生产的角度讲述哪些因素会影响面向航空航天领域的批量生产。

1. 产品一致性，可重复制造的关键因素

实现批量化制造，代表着金属3D打印单批次和多批次制造的每一个零件从零件质量、性能到尺寸精度都是完全一致的，即该技术达到了可重复的制造质量。这对打印设备和工艺标准提出了严格的要求，知名金属3D打印品牌Velo3D声称，其在全球范围内布置的任何一台机器都能打印出具有相同质量的零件，这是对金属3D打印批量制造产品一致性的良好诠释。

铂力特在珠海航展展示的批量生产的安装支架

对设备的调教必须达到严格的标准，能够实现可重复的制造质量，才具备实现批量制造的基本条件。但这仅是一句系统的描述，却涉及极广，如打印过程中成形空间烟雾的排除与气流调控、激光功率的稳定性控制与将平台每一处的能量调控在可接受的范围内、打印室中的氧气含量控制以及构建完成后所需的后处理等，所需要布置的传感器可以达到上千个。GE对所收购的Concept Laser打印机也进行了细致的研究、分析和改造，以使其满足批量制造的能力。

2. 训练有素的工程师至关重要

对于金属3D打印技术来说，必然需要大量的专业知识，但并非要求一人多能。这项技术涉及的技术细节非常之多，如面向增材制造的设计、熟练的操作和维护、打印工艺研发与材料质量控制以及后处理等等。

这些所涉及到的过程几乎均会直接影响到产品的制造质量是否统一。对于致力于面向航空航天领域提供服务的供应商，从事这些环节的人才都不可或缺，尤其是那些训练有素的工程师。而培养具备这些专业技能的工程师既昂贵且耗时，但不可或缺。

3. 制造成本须持续降低

需要指出的是，除非投资回报率超过其他可用的生产方法，否则3D打印技术将不会被广泛采用并进行大规模生产。对于航空航天领域来说，成本似乎并不是最重要的，但成本仍然会影响能否实现批量制造。

机器本身的高成本是一个主要问题。但经历十年技术积累、研发迭代，3D打印机的装备成本相比早期已经出现相当幅度的降低。同样的，材料成本也有一致的趋势。

目前，国内已经有多个满足航空航天领域制造的增材制造加工服务中心，如铂力特、鑫精合、飞而康以及钢研极光等。根据部署，到2025年国内面向金属3D打印服务的装备数量保守估计将远超600台（点击）。

无论从技术发展成熟还是从竞争的角度，制造成本持续降低都将是必然。

4. 自动化的调节与生产，将越来越多

尽量减少人为错误对金属增材制造来说至关重要，例如在调节光斑尺寸、多激光搭接时的参数时，工程师人的判断可能不尽相同，因此有些设备商如华曙高科自主研发了“多激光智能校准系统”，最大程度解决多激光搭接一致性的挑战，使得打印质量及性能更加均匀。

华曙高科开发的“多激光智能校准系统”

其他因为人导致的误差还包括构建基板的调平、零件内部管道的粉末清理以及支撑去除与后处理等，目前的软件和硬件均在使这些过程变得更为智能。虽然当前的自动化程度还有限，但可以看出，这将会是一种趋势。

END

金属增材制造技术在航空航天领域的应用优势涵盖解放设计、高材料利用率、低制造成本、快速制造等多方面，在经历了早期的质疑后，开始飞速发展。本文主要从生产过程的角度讲述了影响金属3D打印批量生产的因素。

正如3D打印技术参考的一位合作方所指出的，金属3D打印不是“能打出来”就行，性能要满足装机要求，批量生产要稳定高效还要一致性强，成本还要持续降低，对设计对工艺改良升级的革新能力也要持续提升。这样才能成为制造业供应链中不可或缺的一环，这个曾经“非主流”的工艺才有可能在寒冬中生存下去。