微型涡喷发动机主要用于装备无人侦察、攻击飞行器，包括机载弹药、巡飞弹药、小型无人机等小型飞行器。在现代战争中，军方的需求从大型、昂贵的载人武器平台更多的转向小型、便宜的无人系统。动力先行是发展武器系统的原则，微型涡喷发动机技术的发展制约了微型飞行器武器技术的发展，3D打印则为航空和军事大国的发动机研究提供了新的制造工艺。 本期，3D打印技术参考介绍中美俄三国采用增材制造进行微型涡喷发动机再设计和制造的应用实践。 ▌俄罗斯采用国产耐热金属和铝合金3D打印微型涡喷发动机 2019年12月，俄罗斯 “西蒙诺夫设计局”成功通过了一台由3D打印制造的小型燃气涡轮飞机发动机的台架试验。 该测试是俄罗斯高级研究基金会和全俄航空材料研究所于2015年启动的联合项目的一部分，旨在开发用于飞机和火箭发动机结构零件增材制造技术的新一代材料。 3D打印的微型涡喷发动机 该小型发动机的推力高达1471N，关键部件采用俄罗斯国产耐热金属和铝合金3D打印（SLM）而成。由于使用了新技术，主要引擎元件的制造时间减少了20-30倍，生产成本降低两倍以上，而且许多合金的强度超过国外同类合金20％以上。 110N级遥控模型飞机引擎点火测试（2018） 俄罗斯高级研究基金会是为了保证俄罗斯联邦的国防安全和武装力量现代化，军民两用技术和产品的研制和发展，建立起来的独立机构。其负责人表示，小型发动机的测试结果证实了使用增材制造技术生产复杂结构产品的有效性，这些技术不仅在飞机行业，而且在石油和天然气、汽车、造船和医药等其他行业也将发挥重要作用。 根据研制计划，完成台架试验后的发动机，将于2020年1月至2月在轻型无人机上进行飞行测试。 ▌GE成功测试3D打印的微型涡喷发动机，为工业3D打印从原型制作过渡到制造，树立信心 GE是最早进行工业3D打印的众多航空航天公司之一，从喷气发动机到涡桨发动机，3D打印的零件已经在GE产品系列中获得大量应用。2014年，GE成功点火测试3D打印的微型喷气式发动机，为工业3D打印从原型制作过渡到制造，树立了信心。 GE微型涡喷发动机测试过程 这次尝试也是来自于一项附带计划，工程师主要想了解3D打印零件的使用潜力，研究是否能制造出一种几乎完全用增材制造零件运行的小型发动机。 发动机某部件的打印过程 项目团队由GE 航空的工程师和技术人员组成。很显然，将整个复杂的商用飞机发动机全部采用3D打印制造尚不可能实现，他们最终以一台遥控模型飞机引擎为蓝本，对其重新设计和3D打印。发动机组装完成后，在通常用于试验全尺寸发动机的测试单元内并进行点火，经测试，3D打印的微型喷气式发动机每分钟转速可达到33000转。 GE 3D打印的微型涡喷发动机零件 在接下来的数月和数年内，通用电气航空集团采用增材制造工艺为其新一代LEAP、GE9X、Catalyst等发动机生产了数以万计的燃油喷嘴和涡轮叶片等部件，并成为3D打印航空制造的领导者。 ▌中国航发获得一款经试验初步验证、可靠、零件全部采用3D打印制造的微型涡喷发动机 2017年，中国航发团队开发了全3D打印的涡喷发动机，2019年首次公开研究细节和进展。项目团队以一台200N级微型涡喷发动机作为技术验证平台，开展了基于3D打印的航空发动机结构集成化及轻量化设计研究，并针对3D打印的零部件及整机开展了验证试验工作，获得了一款经试验初步验证、可靠、零件全部采用3D打印制造的微型涡喷发动机。 中国航发微型涡喷发动机集成化设计对比图 在此项目在实施过程中，实验团队充分理解项目目标及航空发动机在结构、性能、工艺、强度、刚度、重量等各方面的要求，实现了复杂零件的集成化设计、结构优化设计和一体化打印。与采用传统加工工艺的发动机相比，发动机本体零件数量减少81%，重量减轻17.3%。 实验后发动机分解图 最为重要的是，这款发动机具备功能性，经串装后完成两次点火试验，性能达标，状态稳定。为验证3D打印发动机的场外工作能力，项目团队将其装在航模飞机上，并对航模飞机进行改装，开发专门的数据传输系统，进行了飞行试验，并取得了成功。 串装发动机航模试飞 END 如今，更高的性能、更轻的质量、更低的油耗、更低的成本以及更小的尺寸成为微型涡喷发动机的发展趋势。从3D打印的制造实践来看，新工艺几乎同时满足了这五项诉求，因此具有重要的发展潜力。 此外，从各国的开发过程来看，项目的研究主要还是在于探索新技术的使用潜力，并验证推广应用至高性能发动机研制的可行性，项目的成功无疑能够为3D打印的应用进一步指明方向。最后，我们也应当看到的是，俄罗斯的增材制造技术和材料发展正在加速，这一老牌航空大国能否在新技术背景下继续创造奇迹，我们拭目以待。 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.GE9X发动机：多材料金属3D打印航空应用的集大成者 2.3D打印集成制造的最佳实例：从855个零件到12个零件的非凡效益 3.外军：突破发动机等复杂系统的设计局限，改进武器装备性能 4.3D打印在固体火箭发动机上的研究现状及国内应用案例

几天前，微信朋友圈流行用FDM技术打印口罩，笔者一直觉得用3D打印来做这些实在杯水车薪，一是量起不来，二是因为质量比较糟糕。笔者当时觉得，3D打印可能为这次疫情做不了什么。然而，随着设计共享、品牌商联合、工业机的介入，3D打印终于被推向制造前沿、发挥作用。 本期，3D打印技术参考要讲述的是匹克体育联手惠普、华曙高科等3D打印企业在口罩扣设计和生产过程中所做的部分工作。 ▌匹克体育：从设计、材料到工艺，改善产品佩戴感受 匹克体育科技创新部副总监黄征介绍，牛奶箱提手本身硬度很高，其尺寸和两侧牵制绑带齿的设计会造成长期佩戴不适。基于此，匹克对该产品进行了多达九次优化，先是给自己的员工试戴，后给北京医院的医护人员使用，得到了积极反馈。 从牛奶箱提手到专门的口罩扣设计 第一个版本的产品有很多问题，如尺寸不通用、佩戴以后会往下滑等等。匹克针对这些问题进行了设计改进，从最开始的两个齿，到后面三个齿、四个齿，以适应不同的尺寸需求；同时，匹克设计师还在口罩扣的内面贴上了魔术贴，它能够使口罩扣很好地固定在无纺布制造的防护服上，从而解决了滑落问题。口罩扣和魔术贴结合在一起就是一个完整的配件。经实际使用，医疗人员的佩戴感受大大改善。 使用FDM工艺打印的具有魔术贴和不同齿数的口罩扣 在材料方面，匹克使用的是热塑性聚氨酯，也就是TPU。相比牛奶箱提手会柔软很多，安全环保，可以亲肤，而且可以百分百回收。但目前由于医疗资源产能有限，需要反复使用，因此免不了定期消毒。医院每天使用完以后，会集中回收，统一消毒和存放。然而TPU本身并不耐高温，目前所用的方法是紫外线照射和酒精消毒，能够做到很好的处理。 在打印工艺方面，匹克最初所采用的是FDM技术，面临的最大问题是速度慢，一次打印只能制造有限的几个产品，匹克所有的设备加起来同时打印，每天产量也远远不到1000个。产能不足的问题促使匹克设计人员不断的优化打印文件，将效率提升了30%-40%，以前用10分钟可以打印一个，现在只需要六七分钟就可打印完，而且不需要后处理。 使用FDM工艺批量制造的口罩扣 然而真正实现大批量制造，仅仅依赖FDM技术是远远不够的，开模又根本来不及。后期匹克找到了惠普、华曙高科等企业，真正开启了口罩扣产品的3D打印批量制造。 ▌联合惠普、科恒，采用MJF技术实现批量制造 惠普3D打印设备的突出特点是面向批量、直接制造的应用，通过替代中小规模的注塑手段，来提升3D打印规模化生产的精度和经济性。在传统注塑行业，开模将是一大笔费用，均摊到单个产品上面不仅成本高昂并且费时费力；而惠普MJF技术，则可以低成本且快速地批量生产这种中小批量的产品。 采用MJF工艺批量排版口罩扣，一次可打印近千个 基于匹克此前使用TPU材料，惠普计算发现采用MJF技术制造TPU口罩扣的成本要高于尼龙材料很多，而由PA12打印的口罩扣却同样得到了医生的正面反馈。最终，由惠普出资，委托3D打印服务商科恒采用PA12进行了口罩扣的批量打印。 由MJF技术打印的PA12口罩扣具有良好的韧性 目前，惠普联合科恒已捐赠900个3D打印口罩扣给武汉和黄冈等地的定点医院，仍有大批产品仍在制造过程中。 ▌携手华曙高科，采用SLS工艺一天可打印近千支口罩扣 SLS工艺也是面向批量制造的3D打印技术，以华曙高科403P系列为例，一台3D打印机一天可打印近1000支口罩调节扣。相对FDM技术来说减少了反复的多台机器操作过程，大大节省人工，缩短加工周期。 采用SLS工艺批量排版口罩扣 华曙所采用的也是尼龙材料，柔软、耐磨，满足了口罩佩戴过程中的强度及弯曲程度要求，并且可消毒重复使用。以此制成的口罩调节扣能贴合头部表面，不产生勒痕，使用者佩戴帽子时也可达到良好的包裹效果。 采用SLS工艺打印的口罩扣 目前，华曙高科与湖南省工信厅联合捐赠的第二批500个3D打印口罩调节扣已发往湖南援鄂医疗队，后续还将打印多批发往湖北地区。 END 对于口罩扣的需求是很大的，一些企业也找到了匹克进行产品定制，数量达到几千个，一部分企业自用，一部分进行捐赠。除了一线的医务人员，一些需要长期佩戴口罩的交警、民警、保安、消防队员等同样有很大的使用需求。企业，在这时候也可体现自己的人文关怀。 然而3D打印要在此次突发疫情中发挥作用，制造出合格产品，还需要从产品本身的痛点出发（如新产品亟需批量制造），配合设计、材料、工艺，还要考虑成本，才能真正发挥作用，这些要点缺一不可。 除了匹克、惠普、华曙高科、科恒这些企业外，还有塑成科技、易生、创想三维、光韵达等3D打印企业贡献着自己的力量。随着设计共享、品牌商联合、工业机的介入，3D打印在小批量快速定制方面的优势将被重新认识。 ---致敬前行者--- 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.3D打印医疗器械所面临的挑战—灭菌与失效 2.3D打印医疗植入体的安全性、国内审批流程及存在的问题 3.国内对3D打印医疗器械的生产、应用有哪些严格要求和限制 4.医疗奇迹：3D打印如何改善我们的生活

2019年11月21日，在德国不来梅举办的欧洲航天技术博览会上，一些航天设备制造商表示他们完全看好3D打印将带来制造技术的革命，但也指出大家对这项技术的期望不要过高。这到底是为什么呢？ 3D打印经过30多年的发展早已不再是什么新鲜事物，小到儿童玩具和纪念品，大到火箭、飞机的承力结构，都有它的身影。在如今的航天产品制造过程中，可以说采用3D打印早已不是新闻，不采用3D打印才是新闻。 航天领域新旧运营商均积极拥抱3D打印 在液体火箭发动机制造领域，3D打印的应用已经非常普遍。国内民营航天领域，深蓝航天和蓝箭航天率先开启了全3D打印的火箭推力室的制造和实验，两家公司在去年均完成了不同科目的热试车。 中国深蓝航天采用选区激光熔化3D打印工艺制造的液体火箭发动机推力室 国外火箭制造领域，应用3D打印最激进的当数Rocket Lab的电子火箭。该公司的卢瑟福发动机主要部件均采用3D打印，每次打印需要24小时。截至2019年7月，Rocket Lab取得了里程碑式的进展，成功完成了第100台3D打印火箭发动机的制造，其中70台已经投入太空使用。 Rocket Lab 3D打印的火箭发动机 此外，老牌航天公司也积极拥抱3D打印。以美国液发领域最具代表的洛克达因公司为例，该公司的拳头产品之一RL-10系列膨胀循环氢氧发动机，服役超过半个世纪。但一直以来，该发动机的制造成本始终居高不下，单台采购报价曾高达3000万美元。 2017年，洛克达因公司在RL-10C-X项目中使用3D打印制造铜合金推力室和喷注器，替代了原有的钎焊不锈钢管阵列，周期缩短一半，不仅零件数从28个减少到6个，还消灭了上百条焊缝，并经历了超额定功率试车的严峻考验。 含有3D打印核心部件的RL10C-X火箭发动机热火测试 NASA多年来一直在开发面向增材制造的火箭发动机高温合金，并相继有GRCop-84（Cu-8% Cr-4% Nb）和GRCop-42（Cu-4 % Cr-2% Nb）等材料面世。2019年5月，卫星发射公司Virgin Orbit采用GRCop-84铜合金和增减材一体制造工艺为NASA打印了发动机燃烧室，其几何形状与传统设计相同，但工程师能够使用不同材料更快地构建腔室。3D打印为推力室的制造节省了数月时间，热火试验证明基于该工艺制造的复合材料部件与传统制造的性能相一致。 采用增减材一体制造工艺生产的火箭发动机推力室 对于复杂零件，采用传统的“车钳铣刨磨”等材料去除方式时，需要逐个加工零部件，再经装配而成，而3D打印能够一体成型，甚至支持不同材料混合打印，免去了繁复的机加工、焊接和装配流程，使成本和制造周期呈几何倍数下降。 在原型阶段，3D打印可节省工装、开模等成本，能快速适应设计团队的变更。而在实际产品阶段，尤其是基于金属粉末和激光烧结技术的成品，不仅能够快速成型出一体化零件，同时其凝固组织亚结构细小，不但没有因3D打印而降低力学性能，反而零件的力学性能普遍优于铸造件，部分甚至接近同成分锻件。 3D打印正逐步介入到安全和可靠性要求最为严格的载人航天器上。 基于该技术的逐步成熟和应用的不断深化，一些企业开始将3D打印应用于载人航天器。 2020年1月19日，SpaceX“龙飞船”高空逃逸测试成功，验证了载人飞船在发射过程中遭遇最极端状况时的逃生能力，这是其进入太空前的最后一个重要测试。“龙飞船”逃逸发动机—SuperDraco也大量采用了3D打印技术。因为发动机紧贴航天员所在的加压舱舱壁，对安全性和可靠性要求极高，而同时其内部几乎所有的冷却通道、喷油头和节流系统采用传统工艺都很难制造，而采用3D打印则可以自由成型。此外，发动机的核心部件—燃烧室，采用镍基超合金实现了选区激光熔化3D打印制造，蜂窝状的燃烧室喉部支撑结构一次成型。 spaceX“自爆”测试成功 除Spacex外，洛克达因公司为“猎户座”制造的姿控发动机喷管延伸段也采用了增材制造技术。该发动机是洛克达因公司首次将3D打印应用在载人飞船上。 “猎户座”姿控‍发动机热火测试‍ 但我们也要看到，3D打印发展至今仍有其局限性，在航天领域并不是“万物皆可打印”。 其中的原因首先在于3D打印局限于工作原理，在材料上有适用范围。以液体火箭发动机为例，3D打印对零件的体积和结构都有要求，高能激光束反复熔融过程不亚于对金属进行反复热处理，累计的应力和冷却不均匀等问题会导致大尺寸或承力零件内部出现裂纹和孔隙。 其次，目前的3D打印成品受限于技术水平，很多时候精度有限，在实际装配之前大多离不开传统机械加工。从结构复杂性看，3D打印技术确实可以用来制备结构复杂的大型零件， 然而结构越是复杂，其后续机加工步骤也同样越复杂。因此采用3D打印技术制备复杂结构件对机加工技术同样有强烈的依赖性。对于一些无法进行机加工的复杂结构件来说，即使采用3D打印技术制造出了近净成形的毛坯也没有任何意义。 3D打印的产品尚离不开机加工等后处理手段 还有，某些型号产品进入大批量生产后，相较传统专用工装、模具支持下的批量生产模式，只能逐一制造的3D打印在生产效率上的优势会迅速丧失；而且随着批次的增加，传统设备和模具成本被不断摊平，3D打印产品在成本上也很可能优势不再。即使对于小批量产品，3D打印工艺与常规变形工艺的原材料制备成本差异也很大。 最后，某些结构复杂的3D打印零件也为质检工作带来了新的挑战，比如喷注器，以往只需要在装配前对零件进行逐个检验，但一体成型后只能一次完成，难度陡升。 相比而言，3D打印技术更适合于原材料成本高、战略意义重大、形状结构复杂的金属材料。 END 在航空航天领域的各类型号产品中，除去部分铸造、粉末冶金结构件外，大部分金属结构件都是由板、棒、管等型材和异型材组合而成，这些型材可通过传统的变形工艺得到。因此，通过传统的变形制造工艺，基本可以满足绝大部分金属结构件的制造和性能指标。 只有在结构特别复杂或外形独特、常规方法不便制备、结构件成形一体化（无焊接或其他方式连接等）等需求时，才可能有必要尝试3D打印的方法进行制造。从目前来看，在火箭、卫星等产品制造领域，3D打印是绝佳的补充，暂时称不上彻底颠覆和替代，只有根据产品本身需求和特性合理组合运用增材制造和传统制造，才能最大化两者优势，真正节省时间和成本。 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.Rocket Lab生产第100台3D打印的火箭发动机 2.采用3D打印工艺--深蓝航天液体火箭发动机整机变推力长程试车圆满成功 3.航天529厂助力中国卫星3D打印产品在轨应用常态化 4.2019年中国航天领域3D打印8大应用成就和案例

2月12日，普惠公司公布3D打印技术在航空发动机部件领域的工业化应用，这也是在商用发动机的维护、维修与大修（MRO）领域的首次应用。这一由3D打印技术制造的部件预计将于2020年中进入普惠位于新加坡的专业维修中心。 空客A320使用普惠航空发动机 为向普惠发动机提供更快速与灵活的维修解决方案，普惠公司的工程专家与普惠新加坡航空航天部件中心的维修专家共同努力，同时在新加坡科技工程有限公司陆路系统部门的协作下取得了这一创新成果。这一由3D打印技术制造的航空发动机部件应用了后者生产级的3D打印制造能力，也展示了普惠公司在运营层面通过受控流程对金属打印知识领域的深度掌控。3D打印的部件将作为燃油系统部件首次应用在普惠的一个发动机型号上。这一新的材料解决方案减轻了锻造与铸造等传统制造工艺对现有材料供应的依赖，并带来优势。 普惠3D打印的压缩机定子部件 普惠公司亚太售后运营执行总监Brendon McWilliam表示：“得益于新加坡航空航天部件中心员工的创新思维，我们目前又向着扩大应用此技术以满足不断增长的售后运营需求并在业内实现3D打印工业化应用的目标前进一步。这一突破性的创新是普惠公司更为宏大的技术路线图的组成部分，普惠致力于在各层面引入整合人工智能（AI）、机器人与自动化技术的多项先进技术来推动数字化转型工作。我们已做好充分准备，在不降低高质量与可靠度标准的同时为今天的需求提供更优服务并预测客户在未来的需要。” 普惠首席工程师Lynn Gambill 增材制造的应用基础构筑在其能够按需、并依照复杂规格制造部件的能力之上。同时，该技术在设计与可收放尺度方面为响应实时产量需求提供了灵活度，可大规模地推动MRO行业转型。 普惠新加坡航空航天部件中心总工程师Chin-Huat Sia 表示：“3D打印将改变全球MRO行业的游戏规则，特别是在服务更多商用发动机方面。这一技术将为我们的库存管理带来更大的灵活度。在这项先锋型的计划之后，普惠公司与新加坡科技工程有限公司均将探索如何将增材制造技术应用于其它航空部件与发动机型号，同时进一步研发以支持混合维修，从而释放3D打印技术在商用售后市场运营领域中的全部潜力。” 普惠GTF发动机维修 通过应用其专业技术技能，普惠公司工程团队将新加坡科技工程有限公司在其陆路运输系统中应用3D打印技术的方法延伸至普惠发动机的航发部件制造之中。双方密切合作确保项目中的质量与流程系统均满足普惠公司对于售后市场应用的认证要求。鉴于这一创意的新颖，支持批准在维修中使用金属3D打印的技术数据经历数轮严苛审核与讨论方才完成。三方项目人员又在随后探索现有航空规章要求与新加坡科技工程有限公司3D打印设备极限的过程中合作完成了全面的数据审核工作从而形成数据组。 点击查看：复杂的航空3D打印认证 新加坡科技工程有限公司动力学设计与制造高级副总裁Tan Chor Kiat表示：“为一款在役的燃气涡轮发动机用3D打印技术制造一个航发部件对我们而言是第一次。这也展示了我们具有提供全面关键制造解决方案的先进能力，这不仅包括生产级别的3D打印，同时还涉及诸如热处理与机械加工等后流程。我们的客户期望我们具备高质量标准。对这一项目而言，我们交付的航空部件不仅能够符合所要求的高质量标准，同时还满足航空监管当局的各项严苛要求。” 3D打印航空部件安全与质量认证 新加坡科技工程有限公司在提供全面关键制造与工程服务领域已有超过10年的经验，能够向原始设备制造商以及来自航空航天、石油与天然气及精密工程行业的企业提供从核心流程到获得Nadcap批准的特种工艺加工在内的一系列服务。 普惠新加坡航空航天部件中心专业提供发动机部件维修，涵盖V2500与PW4000发动机的燃烧室、燃油系统组件、管道、导管以及歧管。 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.您的下一航班将使用3D打印的引擎部件 2.看东方航空如何将增材制造运用到民航维修改装领域 3.看美军如何使用3D打印维护战机，同时又有哪些隐忧 4.两吨材料，数年时间，百万美元，3D打印如何为787客机完成认证工作

首先，我们来介绍金属3D打印技术—SLM工艺的制造局限性： 1. 在开发新应用时，几乎不可能不重新设计零件就直接打印，而且通常需要进行反复的重新设计才能满足3D打印的要求。这些前端设计工作也造成了交货周期的延长。 2. SLM技术的过程一致性和可重复性一直以来都被怀疑。 3. 支撑问题难以摆脱。为了防止零件翘曲变形，必须预先知道支撑添加的位置并进行设计；打印完成之后还需要繁琐的去除过程。这些冗长且不稳定的前后处理过程，也会给零件带来差异性。 将这几项因素叠加，就会发现金属3D打印的概念虽然很先进但似乎并没有达到所需的速度和可重复性。如何在物理上尽可能地消除支撑结构，以减少并最终规避这些问题，成为传统SLM技术急需突破的问题。（《无支撑金属SLM工艺对企业的影响》电子书已上传QQ群） SLM技术的支撑结构很让人无奈 无支撑SLM技术正在获得航空航天客户的青睐 2月11日，霍尼韦尔航空航天公司宣布与VELO3D建立合作伙伴关系，前者将利用其在飞机部件增材制造方面的丰富经验来验证VELO3D的无支撑金属3D打印技术。 VELO3D蓝宝石（Sapphire）金属3D打印机于2018年8月发布，是一种端到端的增材制造系统，通过软硬件组合方案解决粉末床激光熔融技术所固有的许多挑战，包括设计限制、过程控制和一致性。此外，高度受控的气氛、使用模拟软件进行构建准备以及现场质量控制确保了制造业一直在追求的可重复性。作为认证工作的一部分，VELO3D开始在霍尼韦尔航空航天公司的工厂安装该系统。 VELO3D蓝宝石（Sapphire）金属3D打印机 据霍尼韦尔航空航天公司介绍，选择Sapphire AM系统的根本原因在于它可以无需支撑结构即可构建高度复杂的几何形状，从而缩短了生产周期并降低了成本。该公司通过对Sapphire AM系统鉴定，目标是打印在现有金属3D打印机上无法制造的几何形状。 霍尼韦尔航空航天技术和高级运营高级总监SöerenWiener博士解释，“VELO3D的技术将帮助霍尼韦尔开发新应用，同时还满足我们对认证材料的要求。我们打算通过在生产环境中进行重复性测试（包括打印和后处理）来对该设备进行鉴定，从而获得一套可接受的材料性能数据和组件认证流程。” VELO3D打印的复杂结构 霍尼韦尔将首先专注于对Inconel高温镍基合金的鉴定。作为资格认证的一部分，VELO3D将协助其开发参数以优化材料性能。 END 据报道，VELO3D此次是与霍尼韦尔（中国）达成的合作。在2019年， VELO3D还向一未公开的航空航天客户提供了四台打印机；同年，该公司还与超音速客机创业公司Boom Supersonic达成合作，双方共同开发XB-1超音速喷气飞机。 很明显，航空航天客户格外看好这一推出还不到两年的新型SLM系统。笔者认为，相比传统的SLM技术，新工艺将进一步解放设计，解放后处理过程，进一步降低制造成本并缩短制造周期。 关于VELO3D的技术我们此前已经介绍过很多，本篇不再过多赘述，详细内容可查询延伸阅读。 注：本期上传内容为《无支撑金属SLM工艺对企业的影响》电子书。 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.金属打印批量化：SLM无支撑系统PK HP与Desktop Metal 2.velo3D：激光对齐校准将严重影响大尺寸零件的打印质量 3.EOS：SLM无支撑制造的可能性和局限性 4.金属3D打印最优前沿(三)：大水平面无支撑工艺探索 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：为规避SLM的制造局限性，航空航天公司选择新型金属3D打印机

金属一直以来都是机械制造中的主力，因为金属的强度、刚度要远远好于塑料、橡胶、木材等非金属材料，所以很长一段时间内，金属的作用很难被替代。 但是随着材料学的发展，金属已经不再是我们的唯一选择，甚至有大量的非金属材料因为特殊的性能而被被应用到航空发动机中，如陶瓷材料和碳纤维。陶瓷因为其极佳的耐高温性能而有可能在未来的航空发动机高温部件中得到使用；碳纤维则以优秀的比强度、比模量等综合指标被航空航天工业青睐。 陶瓷基涡轮叶片 GE90和GEnx发动机碳纤维复合风扇叶片 ▌除了质量轻、强度高，碳纤维还有哪些优势？ 如果我们希望航空发动机可以制造的足够轻盈，那么在条件允许的情况下尽量减小材料的密度是一个很好的方法。当年的钛合金就是因为轻质，并且刚度、强度和高温性能都合格，已经是一种被广泛使用的优秀航空材料。 但金属毕竟是金属，即便是像镁铝合金那样的材料，密度也达到2000kg每立方米左右，而且金属材料都有一个很严重的问题，即金属疲劳问题。当金属材料内部受到变化的力的时候，只要这个力足够大、作用的时间足够长，那么材料就会产生微裂纹，然后这样的裂纹会快速变长、直到整个材料都裂开。 金属材料的疲劳裂纹 碳纤维相比于金属材料最明显的一个优点就是—轻。碳纤维密度一般在1400~2000kg每立方米，经过环氧树脂强化的碳纤维密度也不过1600kg每立方米而已，远远好于金属材料。 而且这种材料抗拉强度极高，想要拉断高强度碳纤维材料需要用拉断同样横截面积钢铁的力的两到四倍。 碳纤维（后三行）与金属材料的对比 另外，碳纤维跟金属材料不一样，碳纤维材料并没有所谓“疲劳强度”的概念，也就是说变化的力对于金属材料来说是一种威胁，需要重点关注，但是放在碳纤维这里却不叫什么事情。 上面这些优点对于航空器材可以说是至关重要，因为这些东西是要飞上天的，所以自然是越轻越好，而且像航空发动机这样的装置，需要承受巨大、复杂的载荷，工作状态下零件内部会分布有复杂变化的载荷，有这么一种密度小、强度高、抗疲劳能力强的材料自然是极好的。 ▌非完美，耐高温性能不敌金属 实际上碳纤维本身耐高温性能是非常优秀的，在一般情况下能够承受1000℃以上的高温，碳纤维耐高温的原理是碳纤维中碳原子的结构类似于石墨晶体中的层内结构，碳原子间以牢固的共价键结合，很难破坏，所以耐高温。 但是生产上所使用的碳纤维大部分是复台材料，它的耐高温程度取决于基体材料，大部分是树脂，其使用温度为-50-180℃，所以一般碳纤维制品耐高温在150-180℃，也有300-400℃的碳纤维复合材料。 通过环氧树脂将多层碳纤维粘黏在一起 ▌碳纤维被广泛用在飞机和火箭上 基于以上特点，碳纤维在航空航天领域的应用非常广泛，它可以被用来制造火箭的燃料储藏罐，也可以用来制造飞机的外壳。尤其是现在先进民用客机制造中，碳纤维的使用比例已经超过了50%。 SpaceX公司制造的世界上最大的碳纤维燃料储存罐 波音787外壳大量使用碳纤维材料（蓝色） 然而，虽然碳纤维有很多优点，也确实在火箭、飞机结构上得到了广泛的应用，但是在航空发动机上的使用却不是那么容易，因为航空发动机除了载荷大且复杂之外，还有两个很致命的问题：发动机的高温环境和对结构变形的严格控制。 航空发动机的运转离不开大量燃料的燃烧，所以必然会产生极高的温度，发动机涡轮前的温度可以高达2000℃。前面我们已经提到，碳纤维虽然也能承受一定的高温，但是在这样程度的高温下却依然显得无能为力。 另外，航空发动机分为一静一动两个部分，也就是“静子”和“转子”，静子不动，转子高速转动，动静之间要求配合严丝合缝——这也就是所谓的“转静子间隙控制”。 发动机转动件和静止件之间间隙要求很高 而碳纤维材料虽然说强度很高，但是刚度不足，这也就意味着一旦发动机工作起来碳纤维做的零件会发生更大的变形，带来转静子之间配合状态的改变。尤其是在压力比较高的地方，一点点的缝隙都有可能造成安全问题和性能下降。 所以碳纤维材料在航空发动机中的应用相对较少，使用的位置主要是：风扇叶片。 航空发动机上的第一级风扇叶片 风扇叶片距离燃烧室较远温度很低（事实上就是环境温度），而且这个位置压力比较低、对间隙控制没有那么严格。同时，这些叶片体积足够大，方便了碳纤维材料的加工，使用碳纤维材料也可以最大程度上发挥材料密度小的特点。 巨大的叶片一个成年人可以轻松举起 如果是在那些小叶片上采用碳纤维材料，不仅加工困难（碳纤维叶片制造过程中的很多步骤都要依靠手工），重量也并未减少多少。 GE9X采用的第四代碳纤维复合风扇叶片，共有16个前风扇叶片，比GE90和GEnx风扇叶片数量再次减少，从而减轻重量，提高发动机性能。 ▌碳纤维3D打印加工方式 自美国于2014年推出首台连续纤维3D打印机以来，该技术正在快速发展并在航空领域取得应用。随着技术的逐渐成熟和大规模推广应用，该技术或将颠覆现有复合材料无人机、低成本复合材料航空结构的生产模式。 碳纤维风扇叶片3D打印过程 美国Continuous Composites公司获得创新大奖的连续纤维打印（CF3D）工艺，使用快速固化热固性树脂（工艺也适用于热塑性塑料），将增强纤维浸渍在打印头内，并在材料沉积后立即固化复合材料。热固性材料使该工艺能够在自由空间中执行高速打印，纤维体积含量可达到50%～60%。获奖项目中的重要进展包括更加自动化的工具路径生成手段；自动化的工具更换，从而可在同一部件上实现高分辨率单通道打印和高沉积率多通道打印；提高机器人准确性和精度等。该公司预计未来此技术将用于按需打印整个飞行器结构——无论是10件还是1万件。 连续纤维3D打印将多个结构作为单个组件进行打印，图为带有嵌入式角撑板的飞机翼梁。使用Continuous Composite的3D工艺进行打印，随后通过手工沉积碳纤维复合材料进行蒙皮 意大利莫伊复合材料公司开发的连续纤维制造工艺，旨在解决使用热固性树脂进行3D打印的挑战，并已成功用环氧树脂、丙烯酸和乙烯基酯打印连续玻璃纤维增强复合材料。除了适用于碳纤维应用的固化机制外，该工艺还可使用紫外线固化方式，所需固化时间小于1s。目前，该技术已开始用于航空结构件制造。 莫伊复合材料公司3D打印工艺 END 碳纤维不仅性能优异，生产过程同样困难重重，在国际上一直由美、日两国主导。3D打印确实为碳纤维的生产提供了一种新途径，不过目前连续纤维3D打印技术还存在两个主要问题：一是纤维含量低，且打印层之间的分层可能性高；二是缺乏标准化的连续工具路径生成商业软件。未来，随着这些问题的解决，该技术依托灵活开放、高速高效、低成本且生产完全自动化等优势，必将会使碳纤维的生产更加成熟。 注：本文部分内容来自航空知识，由航小北原创。 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读：1.连续纤维增材制造技术或将颠覆航空复合材料结构生产模式 2.碳纤维3D打印：短纤填充与连续增强的区别与性能差异 3.利用高性能复合材料和金属3D打印解决更多制造挑战

高速飞行器是航空、航天领域发展的重要方向，具有重大战略意义和重要经济社会价值。未来几年到几十年，武器装备、飞机、空天往返飞行器等航空航天装备面临着全面更新换代，而高速化是其重要趋势，具有代表性的方案包括中国航天科工集团空天往返飞行器和美国洛克希德·马丁公司的SR-72高超音速概念飞机等。不同于传统的弹道型飞行器，高速飞行器必须在极高的飞行速度下满足远射程、长航时、高机动等性能要求，对飞行器结构系统轻量化设计提出了严峻挑战。 中国航天科工集团空天往返飞行器概念图 目前，国内外采用结构优化技术开展高速飞行器结构设计的公开报道极少。近年来，围绕工程研制需求，北京空天技术研究所与西北工业大学和大连理工大学合作，开展了结构优化方法及其在高速飞行器结构设计中的应用研究。本期，3D打印技术参考分别介绍结构优化技术在零件、组合部件以及飞行器全机概念设计中的应用。 ▌零件设计，以增材制造工艺加工，性能较少向工艺妥协 发动机安装接头用于传递发动机推力，布置在发动机推力传递截面、发动机两侧左右各一个成对使用。该安装接头为集中承载部件，除了要保证其自身强度、刚度以及耐温性要求以外，功能上要实现发动机与机身结构的有效连接及载荷的可靠传递。根据对接头结构形式的分析，采用拓扑优化结合尺寸优化方法开展结构优化设计。重点考虑结构承载性能和轻量化水平，同时兼顾安装可操作性；构件以增材制造工艺加工，故设计中未特别考虑工艺限制。优化后结构刚度指标略有提升，局部最大应力略增、但仍在安全范围内；与面向传统机加工艺的原设计方案相比，减重超过 18%。 安装接头优化设计 舵轴初始设计采用分段机加、焊接连接工艺。根据对舵轴结构形式的分析，依据整体结构拓扑优化结果，进一步应用尺寸优化减重设计与增材制造工艺加工，满足了所有性能要求，减重达 8.7%。零件结构优化设计在工程关键技术攻关阶段实现了改进或原创设计，在保证承载性能的基础上，取得了显著的减重效果。结合金属增材制造工艺，极大缩短了零件设计、制造与验证周期，初步实现了面向性能的结构设计。与以往面向工艺的结构设计相比，性能较少向工艺妥协，设计自由度更大，减重效果更好。 舵轴结构优化设计 ▌部件设计，拓扑优化结合增材制造是实现大幅减重的重要途径 根据飞行器减重和性能优化需求，开展了以舵面为代表的部件结构的优化设计工作，建立了较为完善的同类结构优化设计流程。舵面作为独立部件，在高温与压力联合作用下，必须满足刚度、强度和转动惯量等指标。首先采用拓扑优化获取主传力路径，结合设计人员经验提取结构特征，通过尺寸参数优化对重构模型进行详细设计，使结构减重约10%。结构设计人员在方案论证阶段可以利用部件优化设计方法对结构进行改进。应用案例表明结构优化技术与工程经验相结合，能得到符合功能需求、性能优异且具备工程实现条件的结构。 典型舵面优化设计 飞机发动机的吊挂是连接发动机跟机翼关键的结构，它要传递发动机的推力，以及发动机自身的重量，现在的结构形式是典型的框梁式的结构。中国商飞的设计团队对该部件进行受力分析后进行拓扑优化和重新建模，最终采用3D打印制造出来的吊挂比原来重量减少了1/10，原来的重量有1000多千克，1/10是100多千克，对于飞机设计人员来说，减少100多千克，这是非常了不起的数据。 商飞团队对飞机吊挂进行拓扑优化和3D打印 ▌全机概念设计，以结构系统整体作为设计目标 在概念设计阶段应用结构优化技术开展结构概念方案构建是一项具有挑战性的工作。基于工程前期研究基础，探索了一种基于拓扑优化的高速飞行器全机结构概念设计方法。首先，根据载荷和设计目标估计出初步的最大变形、质心位置、最小一阶频率设计要求，通过拓扑优化快速获得结构质量指标的可实现下限，从而确定一组可用于进一步结构设计的系统性指标；然后，在拓扑优化设计结果基础上，建立参数优化模型 (考虑功能需求，如预留设备空间、增加操作口盖等)；最后，根据上述结构系统性指标建立优化设计约束，以结构系统整体刚度最大作为设计目标，开展尺寸优化设计获得全机参数化模型。在结构概念设计阶段经过以上两轮结构优化，获得的飞行器全机结构概念设计方案可作为后期结构详细设计阶段的重要参考。 某高速飞行器结构概念设计 从图中可以看出，该研究中的高速飞行器与使用超燃发动机的超音速飞行器非常类似。超燃发动机实际上已经成为飞行器的整体结构的一部分，目前国内外均在开展此类大尺寸整体结构的3D打印，具体内容可点击下图查看。 超燃冲压发动机结构 ▌亟需突破的结构优化技术 结构优化方法作为创新设计手段，在高速飞行器结构设计应用探索中已经展现出巨大的能力与潜力。然而，目前的应用仍以冷结构和中低温热结构为主，结构性能主要考虑刚度、强度和固有频率；材料以金属为主，局部使用复合材料；拓扑优化设计结果的解读和特征提取仍依赖于设计人员的手动操作，工艺约束考虑较少；全机概念设计中受限于计算能力，模型规模较小，设计结果粗糙。 结构优化在飞行器设计中的应用 为满足高速飞行器极端载荷环境和高性能指标要求，结构优化技术近期亟待突破或完善以下技术： (1) 建立局部超高温热扩散结构设计技术； (2) 完善大梯度高温热结构拓扑优化技术； (3) 完善动载荷下的结构拓扑优化技术，实现局部动响应特性改善； (4) 发展全新的拓扑优化方法，避免密度法拓扑优化结果特征提取带来的性能损失； (5) 发展面向增材制造的拓扑优化技术，建立增材制造结构件性能评估和质量控制标准； (6) 发展陶瓷基复合材料结构优化设计技术； (7) 进一步针对未来复杂可重复使用结构优化问题，完善不确定结构优化设计方法； (8) 基于并行计算发展超大规模结构高性能分析与优化设计平台，实现大型部件和全机的精细概念设计。 END 结构优化技术在国内外航空航天领域已经得到大量应用，尤其是拓扑优化技术在提高结构性能、降低结构质量中已发挥出显著作用，被行业普遍接受。拓扑优化技术的应用已从肋板、支架、挂架等零件推广到机身、部段甚至整机的优化设计。高速飞行器由于其极端使用环境和严苛性能要求，对结构优化技术与制造工艺具有迫切需求。结构优化技术在零部件以及全机概念设计中具有极大潜力，但仍需要开展更为深入的理论方法和应用基础研究。 大量理论方法研究和工程应用实践表明结构优化技术不但为飞行器结构研制提供了有效的设计工具，更重要的是带来设计理念的变革。 欢迎转发 联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738 延伸阅读： 3D打印集成制造的最佳实例：从855个零件到12个零件的非凡效益 中国航发：基于增材制造的微型涡喷发动机轻量化设计及试验 兵器：3D打印助力巡航导弹等高超声速武器制造 GE9X发动机：多材料金属3D打印航空应用的集大成者

2020年农历春节前夕，北京深蓝航天自主研制的“雷霆-5”（LT-5）液体火箭发动机进行了首次整机变推力长程试车，试验取得圆满成功！ 整机研制自2019年4月方案设计到2019年8月各零部组件投产，再到2020年1月整机试车，共历时9个月，刷新了液体火箭发动机研制的“中国速度”。通过采用3D打印、电动驱控等新工艺、新技术，显著提高了产品的可靠性和测试维护性以及研制的迭代速度，将主要零部件的生产周期减少到一个月内，从零部件到整机的装配时间减少到3小时以内。 该发动机是国内唯一一型结合了“针栓推力室”和“电驱控泵”两大变推力前沿技术的液体火箭发动机，实现了国内液氧煤油发动机在推力调节领域的突破性创新。此次整机试车成功全面验证了发动机系统协调性和连续变推力能力，标志着深蓝航天完成了泵压式液体火箭发动机从设计、制造到试验验证的研制闭环，是继2019年10月推力室试车突破发动机针栓喷注和多次点火关键技术之后，在可回收液体运载火箭关键技术攻关上达到的又一个里程碑。 注1：针栓推力室是“猎鹰”系列可回收液体运载火箭现役主动力发动机实现变推力的关键技术之一，成就了美国商业航天公司SpaceX的业界神话； 注2：电驱控泵技术是新西兰商业火箭公司Rocket Lab首创并应用在“电子号”火箭主动力发动机上，开辟出了商业航天的新天地。 项目研制团队在不足3个月的时间内，转战大江南北，先后完成了火炬点火器试车、推力室试车、涡轮泵水试、整机电磁兼容、整机振动、整机液流等共10余项重大地面试验，为整机试车的成功提供了有力保障。 在此次发动机整机试车成功之前，2019年10月，深蓝航天已经成功对液氧煤油发动机进行了推力室长程试车。该次试车的发动机喷注器壳体和推力室身部两个零件采用金属3D打印制造，内部有百余条冷却流道，使用传统工艺铣削和焊接工艺不仅制造周期长、成本高，零件性能也难以得到保证。铂力特在承担此次任务中严格控制工艺，保证零件外形尺寸、流道精度及粗糙度，同时零件加工周期缩短至2-3周。 发动机推力室 采用3D打印工艺制造的推力室，实现了国内液氧煤油火箭发动机推力室效率从95%到99%的技术跨越，达到了国际先进水平。而从两次测试看来，不排除使用了相同的3D打印部件，进行了不可科目的实验。 关于深蓝航天 北京深蓝航天科技有限公司成立于2016年11月，注册资本壹仟余万元，公司位于北京亦庄经济技术开发区。主营业务为商业航天领域液体运载火箭产品及相关技术的研制与开发，确定了以商业液体运载火箭和航天发射服务为核心业务、飞行器辅助和配套设备等为辅的公司发展战略。 北京深蓝航天科技有限公司的愿景是：立志成为太空运输产业的推动者。公司专注于液体运载火箭及其回收、复用技术的研制，致力于通过技术创新、管理和模式创新、系统工程研制流程创新，大幅度降低人类进入太空的成本，推动太空新经济时代的到来。 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.2019年中国航天领域3D打印8大应用成就和案例 2.3D 打印在航空航天领域的研究现状及国内应用案例 3.国际商业航空公司如何使用3D打印开拓创新 4.采用3D打印制造火箭发动机的设计与工艺考量

航天五院529厂，是我国卫星、飞船结构研制和生产的重要基地，自2014年开始引入3D打印技术以来，深入开展了3D打印基础研究，取得了一系列的研究成果。截至目前，该厂取得3D打印产品在轨应用的卫星型号已多达6个，它们分别是2018年发射的嫦娥四号中继星、高分十一号， 2019年9月发射的资源一号02D（五米光学卫星），12月发射的中巴地球资源04A星、天琴一号，以及近期由长征五号发射的实践二十号卫星。 中国东方红五号新一代大型卫星平台首飞成功 这些应用的实现，预示着该厂正在推动3D打印用于卫星制造的常态化，同时也将我国在该领域的研究推向了世界前沿。本期，3D打印技术参考对其中的关键应用进行介绍。 ▌铝合金3D打印拓扑优化产品在轨应用 2018年5月21日，嫦娥四号中继星“鹊桥”在西昌卫星发射中心成功发射。这是航天529厂首次实现3D打印产品的在轨应用，为嫦娥四号探测器在月球背面与地球的测控通信和数据传输发挥了作用。 2018年6月14日，中继星成功实施轨道捕获控制 动量轮支架传统上是由铝合金棒料机械加工而成的整体式薄壁零件，该结构形式的支架减重设计是在侧壁上开形状规则的减重孔及减小壁厚，壁厚太薄及减重孔太多时，支架加工过程容易发生变形，最终成形精度难以保证。 斜装动量轮支架优化前模型与拓扑优化基础模型（来源：altair） 针对该问题，北京航天东方红卫星有限公司开展了面向增材制造的斜装动量轮支架轻量化设计。工程师首先确认了动量轮支架的设计空间、非设计空间、施加载荷及约束，然后进行了拓扑优化和重构，最终由529厂采用铝合金3D打印生产和制造。 动量轮支架打印成品及在中继星上的装配图（来源：altair） 按照卫星产品的研制规范，3D打印的铝合金动量轮支架接受了上星验证、力学验证、飞行验证等各项航天级环境试验，成功随嫦娥四号中继卫星飞行并执行既定任务。 在此之后的2018年7月，高分十一号卫星由长征四号乙运载火箭发射成功，该卫星同样搭载有3D打印的产品，将为“一带一路”等国家重大计划的实施提供信息保障。 ▌铝合金点阵结构，钛合金激光送粉、铺粉3D打印产品在轨应用 2019年12月20日，长征四号乙运载火箭在太原卫星发射中心，成功执行“一箭九星”任务，其中中巴地球资源04A卫星搭载粉末床激光熔融技术制造的拓扑优化蒙皮+点阵结构，“天琴一号”技术试验卫星搭载分别由粉末床激光熔融技术和激光同步送粉技术制造的钛合金结构板框架。 中巴地球资源04A卫星（来源：中国航天科技集团） 2019年12月27日，长征五号遥三运载火箭在中国文昌航天发射场将实践二十号卫星顺利送入预定轨道。该卫星将对我国自主研发的新一代大型地球同步轨道卫星平台—东方红五号卫星公用平台进行全面在轨验证，对提升新技术成熟度、促进新技术应用、进一步推动我国航天技术发展具有重要意义。实践二十号卫星搭载的是采用粉末床激光熔融技术制造的铝合金小型拓扑优化支架。 实践二十（来源：中国航天科技集团） 与传统铸造构型相比，带有3D打印蒙皮三维点阵的新型结构具有高刚强度，重量更轻，基频更高，研制周期更短，3D打印技术的优势得到充分发挥。 3D打印的钛合金主承力框架和短承力框架，组织致密，内部晶粒细小，力学性能达到锻件标准。 ▌困难与挑战 2019年两次发射任务所携带的3D打印产品，从铝合金蒙皮点阵轻量化结构到激光送粉与铺粉制造的钛合金框架，均系首次在轨应用，同时验证了特定材料下的轻量化结构与不同工艺制造的钛合金的可靠性。这是继去年嫦娥四号中继星后，航天529厂取得的又一3D打印重大型号应用。 3D打印的星敏支架（示意）（来源：通信卫星事业部机械工程研究室团支部） 在此次面向3D打印产品的设计与制造过程中，工程师面临拓扑优化的产品刚性弱与成型困难以及性能要求高的问题。面对诸多困难，公司迎难而上，进行了深入分析和攻关，充分发挥了多年的宇航研制技术基础，在完备的科研体系支撑下，最终3D打印产品的各项技术指标均满足设计要求，并获得了上星许可。 此外，2019年9月发射的资源一号02D也采用了3D打印制造的拓扑优化斜装动量轮支架和直装动量轮支架。 ▌航天领域3D打印应用的常态化 多年来，529厂先后依托总装3D打印技术应用推广项目、装发先进制造课题、科技部重点研发计划、载人航天第三批/四批预研课题等，开展了大量3D打印技术的预先研究，并将课题成果成功转化应用于型号产品研制，在多种金属3D打印技术以及基于FDM的空间3D打印技术方面取得重要突破。材料涵盖高强铝合金、钛合金、高温合金、不锈钢、铝基碳化硅复合材料、连续纤维增强复合材料等多种高性能材料，型号应用领域不断扩大。 中国通信卫星发展历程（来源：通信卫星事业部机械工程研究室团支部） 到目前为止，529厂已在载人航天、深空探测、遥感、通信等多个领域的初样、正样产品研制中得到广泛应用，涉及型号近20个，各状态交付产品500余件。 在2020年将要发射的多个航天器将继续搭载3D打印的产品。未来，我们相信，3D打印产品的在轨应用将常态化。 欢迎转发联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738延伸阅读： 1.从嫦娥四号登月，看航天529厂如何实现3D打印在轨应用 2.3D打印用于卫星制造：为任务量身定制 3.3D 打印在航空航天领域的研究现状及国内应用案例 4.连续纤维增材制造技术或将颠覆航空复合材料结构生产模式

2019年3月，全球复合材料领域顶级展会JEC组委会将2019年度增材制造（3D打印）创新大奖授予美国连续复合材料公司、空军研究实验室、洛克希德●马丁公司团队，以表彰其在连续纤维3D打印技术开发方面的创新成果。连续复合材料公司是连续纤维增强3D打印技术的先驱，2012年获得了全球最早的工艺专利。自美国于2014年推出首台连续纤维3D打印机以来，该技术正在快速发展并在航空领域取得应用。随着技术的逐渐成熟和大规模推广应用，该技术或将颠覆现有复合材料无人机、低成本复合材料航空结构的生产模式。 连续纤维3D打印技术的优势 连续纤维3D打印技术综合利用工业机器人、3D打印末端执行器、原位检测、智能监测与机器学习等技术，快速输送、沉积连续纤维增强体，以及基体树脂并原位浸渍、固化，与传统的自动铺丝成形以及熔融沉积成形等工艺相比，自动化程度和柔性更高，对于典型的碳纤维／聚醚醚酮零件，研发周期可缩短至原来的1/30，生产速度可提高100倍。连续纤维3D打印机可以由多机器人组成柔性单元，机器人上还可添加多个3D打印末端执行器，同时打印头可支持碳纤维、凯夫拉、玻璃纤维甚至光纤和金属丝等材料，使该技术既可以用于大批量生产复合材料零件，也可以一次性打印高度复杂的几何形状或者需要极其精密制造的关键零件。 连续纤维3D打印技术的发展方向 当前，美欧3D打印技术开发商与机器人制造商已共同开发了一系列先进的连续纤维3D打印设备与制造工艺，主要应用方向和发展情况如下。 低成本复合材料结构的大批量生产 美国阿瑞沃公司开发了可将热塑性预浸丝束打印成零件的直接能量沉积（DED）工艺，空客资本公司参与了对该公司的投资。DED工作单元由工业机器人、激光加热打印头和旋转构建平台组成，与传统3D打印相比，能够将生产速度提高100倍。除无人机机身、机翼等航空零件外，阿瑞沃公司还生产与无人机框架结构类似的自行车车架，连续纤维3D打印技术使其开发周期从18个月缩短到了18天。该公司于2019年2月投入使用的新工厂拥有8个机器人工作单元，可完成包括打印本身、后处理（例如钻孔）以及用于喷涂的预打磨，每天共可生产8个大型零件。该公司正在测试每台机器人运行多个打印头以及每个工作单元运行多个机器人，以将生产速度再提高3倍。为了在整个提速过程中保持质量和可重复性，该公司采用了原位检测和机器学习技术，为打印头配装多个传感器（测量高度、压力、变形等），系统软件使用这些传感器数据，根据需要实时调整工艺参数。这样，当工作单元需要更快运行时，就可以确保沉积速率、加热、固化和其他参数得到最优匹配。 arevo 3D打印技术 美国轨道复合材料公司开发了由并联机器人、模块化同轴挤出末端执行器组成的高度定制化的3D打印设备，挤出喷嘴通过其中心孔供给基体材料，通过周围的环形喷嘴供给纤维，并联机器人通过多台协作加快生产速度，可比传统3D打印快100倍。该技术的特点是可适应几乎任何复合材料：3-48K丝束的干燥和黏合纤维；包括热固性／热塑性塑料和碳化硅在内的塑料、陶瓷或金属基体；并且能够结合铜或铝线、纳米材料、导电油墨或其他有助于实现多功能结构的材料。这使其特别适合无人机类应用，投资一种设备即可应用于所有结构和功能组件。 美国轨道复合材料公司的3D打印产品 ‍ 意大利莫伊复合材料公司开发的连续纤维制造工艺，旨在解决使用热固性树脂进行3D打印的挑战，并已成功用环氧树脂、丙烯酸和乙烯基酯打印连续玻璃纤维增强复合材料。除了适用于碳纤维应用的固化机制外，该工艺还可使用紫外线固化方式，所需固化时间小于1s。目前，该技术已开始用于航空结构件制造。 莫伊复合材料公司3D打印工艺 复杂或精密结构的快速研制和小批量生产 美国南卡罗来纳大学McNair航空航天创新与研究中心的研究团队开发了一种熔融长丝制造（FFF）工艺，FFF系统使用配备有连续纤维沉积末端执行器的工业机器人平台，可提供7个自由度。该技术非常适合三类应用：一是模具或芯轴成本相对过高的小批量航空结构制造，如仅需一个特定高强度组件的无人机或小型航空器；二是利用其他制造方法无法产生所需强度质量比和刚度质量比的高度复杂的结构，如加强网格；三是套印，这是一种在打印过程中插入组件并由此完全嵌入打印零件中的技术，可以实现零件整合，如在打印零件中嵌入射频识别芯片或电子传感器。传统采用自动丝束铺放的航空结构集成度很低，而该技术的亮点在于，如果使用热塑性塑料制造复合材料结构，每次就是通过套印重新熔化以增加新组件，消除铆钉、紧固件和黏结剂可显著改善这些结构。 McNair 3D打印技术旨在生产高度复杂且独特的结构 McNair 3D打印的复杂零件 荷兰CEAD集团于2018年11月推出其“优质”（Prime）大型连续纤维增材制造3D打印机，其尺寸为2m×4m×1.5m，是欧洲最大的3D打印机。制造过程中，打印机首先使用所需的热塑性树脂预浸渍连续玻璃纤维或碳纤维，然后打印头将连续纤维与熔化的热塑性树脂颗粒结合，其中还可包括一定百分比的短切纤维，特别有利于小批量生产大型复杂产品。它还具有智能加热/冷却系统，可通过热感摄像头监测工艺，并根据需要实时进行调整。 CEAD集团3D打印高压灭菌模具 俄罗斯初创企业阿尼索打印公司开发了基于复合纤维共挤出工艺的3D打印机，也是将增强长丝送入打印机之前对其进行预浸渍处理，不过长丝是采用特殊配方的热固性树脂预浸渍，而基体树脂通常是热塑性塑料，据称这是因为热固性聚合物比热塑性塑料更容易润湿单根单丝，能够提供更好的附着力，从而提升固化零件质量。 将速度与精度相结合的复杂结构大批量生产 美国马克锻造公司开发的连续纤维系统使用两个打印头，一个用于基体树脂，另一个用于热塑性树脂预浸丝束。技术改进的重点是可靠性和可重复性。公司致力于实现工艺的完全闭环，并正为此开发一系列功能，如完全集成的材料跟踪和全面的自动报告功能。该系统的一个重要应用是打印工装夹具及组件，与机加铝制组件相比，3D打印的热塑性产品同样坚固但更轻，不会像金属组件那样破坏零件，而且在同一天内就可以准备好，这可促进航空复合材料制造模具的发展。 双机器人连续纤维3D打印机 美国Continuous Composites公司获得创新大奖的连续纤维打印（CF3D）工艺，使用快速固化热固性树脂（工艺也适用于热塑性塑料），将增强纤维浸渍在打印头内，并在材料沉积后立即固化复合材料。热固性材料使该工艺能够在自由空间中执行高速打印，纤维体积含量可达到50%～60%。获奖项目中的重要进展包括更加自动化的工具路径生成手段；自动化的工具更换，从而可在同一部件上实现高分辨率单通道打印和高沉积率多通道打印；提高机器人准确性和精度等。该公司预计未来此技术将用于按需打印整个飞行器结构——无论是10件还是1万件。 连续纤维3D打印将多个结构作为单个组件进行打印，图为带有嵌入式角撑板的飞机翼梁。使用Continuous Composite的3D工艺进行打印，随后通过手工沉积碳纤维复合材料进行蒙皮 瑞士9T实验室基于连续点阵制作工艺开发了“碳套件”（CarbonKit）系统，系统使用工业级廉价材料拉挤出复合材料棒，棒通过牵引单元进入可调节热量的挤出头，系统可以与一系列热塑性基体体系配合使用，纤维体积含量可达50%以上。该系统的另一个重要特征是能缩放挤出不同的横截面积，因此可以适应具有小丝束的高分辨率应用，以及具有大丝束的大幅面增材制造，如加筋壁板。一个已开展的项目证实，每年可生产约30000个零件。 9TLabs 3D打印的微型无人机框架 启示建议 当前，连续纤维3D打印技术还存在两个主要问题：一是纤维含量低，且打印层之间的分层可能性高；二是缺乏标准化的连续工具路径生成商业软件。未来，随着这些问题的解决，该技术依托灵活开放、高速高效、低成本且生产完全自动化等优势，必将会与传统复合材料制造技术产生竞争。可以预见，随着该技术的成熟和大规模推广应用，将进一步促进航空制造业探索以3D打印方式批量生产无人机、复杂航空结构以及制造工装，开启航空复合材料发展的新浪潮。 面对国外技术飞速发展的势头，我国应加强情报跟踪研判，联合原材料、机器人、末端执行器、3D打印软件、传感器、机器学习、数控系统优势企业，尽早开发和演示验证若干系列自主可控的工艺和装备，形成规模化的制造工艺和装备产业，支撑我国制造业提高生产效率和质量，以迎接未来航空复合材料结构设计制造面临的高速、低成本竞争，并满足未来以无人机为代表的航空装备低成本大批量按需制造的需求。 欢迎转发 联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738延伸阅读： 1.利用高性能复合材料和金属3D打印解决更多制造挑战 2.碳纤维3D打印：短纤填充与连续增强的区别与性能差异 3.几种碳纤维3D打印技术 4.盘点3D打印高性能光固化树脂