民用航空3D打印材料包括非金属和金属，在整个飞机上面分散在动力系统、电控系统和内饰等各个部位，涉及到几乎所有我们熟知的工艺。然而3D打印技术在民航领域的应用具有很高的门槛儿，其中一个很重要的阻碍因素就是复杂的适航认证流程。零件采用3D打印技术生产出来只是其中一个步骤，还需要严格按照民航法规的要求走完整个适航认证流程才能装机应用。 本期，3D打印技术参考列举可用于民航的3D打印材料、工艺以及案例，文后还将给出该领域专业人员对3D打印飞机结构件适航认证的启示。 非金属材料 空客自2013年开始与stratasys合作，其在A350XWB上大量使用聚合物材料制造部件，实现了单机超过500件的装机，这些部件覆盖了多个机载系统，含导管、线箍、封罩等多种结构。今年四月，卡塔尔航空公司为A350XWB更换了采用FDM技术和ULTEM 9085树脂制造的客舱门帘头，其尺寸为1140*720*240mm，是目前最大的3D打印客机部件。 3D打印的空客A350XWB客舱门帘头部件 波音自2002年起开始SLS技术的应用研究，其采用基于烧结的PA12和PEKK材料来批量制造功能件，由供应商Hexcel生产的PEKK增材制造件已获波音批准。2018年，EOS发布首个适用于激光烧结的高性能碳纤维增强PEKK，该材料即波音与其合作开发，材料中的碳纤维含量使组件具备出色的各向同性强度，并有助于实现轻量化的关键优势。 SLS技术制造波音PEEK推力反相器级联装置 英国马歇尔航空航天和国防集团采用FDM技术和ULTEM 9085树脂，在经过大幅改装的飞机上安装了多个3D打印的管道系统和用于飞机内饰的安全握把和支架等。9085树脂是经过适航认证的3D打印材料，结构坚韧不易破坏，并且具有很强的耐热性和耐化学性。除该材料外，马歇尔公司还采用3D打印的PA12代替传统的铝合金来制造地面试车设备的导管适配器，从而显著降低了成本，同时部件整体结构重量减少了63%。但实际上，PA12的直接装机应用并未看到。 FDM技术制造的PA12管道系统适配器 除传统的PEI和PA外，PEEK和PA的增强材料也在民机系统中显示出应用潜力。碳纤维增强PA12材料具有超过60Mpa的强度，PEEK的强度可达93Mpa，具有优异的综合力学性能。 金属材料 金属3D打印零件近几年在民用航空领域的应用呈现飞速发展态势，以波音、空客为代表的飞机制造商以及以GE航空为代表的发动机制造商，引领了该领域的创新应用。目前，金属3D打印的零件广泛分布在发动机及辅助动力装置、管路系统以及电气控制等部分。 GE9X发动机是波音777X客机的动力引擎，包含304个增材制造的零件，是新一代商用发动机家族中的巅峰之作。这也是GE首次将多种材料和打印工艺投入到单一航空发动机的生产中。其中，燃油喷嘴采用镍钴合金制成，涡轮叶片采用TiAl合金打印，热交换器则采用的是铝合金，这些部件的3D打印工艺包括SLM和EBM技术。 GE9X发动机上的3D打印零件（点击查看） 利勃海尔集团采用SLM技术为空客A380制造了钛合金的集成液压管路，并为A350 XWB批量生产3D打印的钛合金起落架支架。国内大飞机C919首飞架次也包含28个3D打印的钛合金零件，分别应用在前机身和中后机身的登机门、服务门以及前后货舱门上。挪威公司Norsk Titanium AS则专注于钛合金快速等离子沉积技术，它为波音787设计了4个零部件，并测试了大约两吨材料来获得787零件认证。 世界第一个FAA认证的3D打印结构钛组件(点击查看) 2018年，德国vectorflow公司为空客开发了镍基合金打印的流量测量探头，其最大的特点是在直径仅0.9mm的探头上分布有5个小孔，用于测量和预测飞机和涡轮机械中气流速度和迎角，这种一体制造的探头还提高了预测的准确性。 3D打印的镍基合金高精度探头 今年6月，赛峰3D打印的leap发动机润滑装置获得适航认证，其采用SLM技术和铝合金材料制造，保留了原结构相同的界面和功能。该润滑装置被安装在leap-1a系列发动机上，并为空客a320neo提供动力。 3D打印的leap发动机润滑装置 民航领域专家看3D打印结构件适航认证 从国内外的报道来看，民用飞机上已有应用案例的3D打印材料主要有钛合金、铝合金、UL-TEM9085树脂等，说明这几种材料经过长期的研发试验已经积累了大量的原始数据，材料和制件性能稳定，具备较成熟的应用条件。但3D打印的结构件要真正在民机上实现应用，就必须通过适航认证，对此，上海飞机制造有限公司航空制造技术研究所丁红瑜工程师给出了非常可观的建议。 要进行结构件的适航认证应尽量在已广泛使用的几种材料中选择，这可以缩短研制周期，降低制件成本。当然，随着后续更多材料被开发出来，选材的范围就能逐步扩大。得益于技术进步，后续将会有更多的选择机会。 从结构件的服役条件出发，对于3D打印结构件的考核指标，除了聚焦其尺寸精度、表面粗糙度、静力拉伸强度等性能以外，其显微组织特征、缺陷形态及分布情况、开孔连接特性、疲劳裂纹扩展性能、耐冲击性能、在服役环境中的组织性能变化特征等因素都应纳入考虑的范畴，以保证构件在服役的全寿命周期内都能稳定地发挥功能。 从适航认证的流程上来说，由于3D打印所具有的材料－结构一体化成型特征，申请方应当摒弃过去“零件制造完成后再提交相关证据给局方检查”的传统观念，主动邀请适航审查当局从源头上加入进来，双方共同探讨，推进结构件研制、生产、认证的整个流程，通过反复讨论协商并不断补充研发试验，使适航审查当局对整个生产流程了如指掌，同时对产品的性能建立起足够的自信。这样一方面有助于从一开始就明确研发的要求，少走弯路，避免做无用功；另一方面能彻底打消适航审查当局对该技术的诸多疑虑，加快结构件的适航验证进度，早日实现3D打印结构件在民用飞机上的应用。 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.先进材料正在塑造聚合物增材制造的未来 2.GE9X发动机：多材料金属3D打印航空应用的集大成者 3.看东方航空如何将增材制造运用到民航维修改装领域 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

零部件直接制造是近年来增材制造技术应用发展最快的领域，尤其是金属增材制造技术的发展，与传统制造相比在提高生产效率，降低成本等方面有显著优势，有助于实现武器装备的快速制造及部署。近年来，美军在采用增材制造技术进行枪械、轻型无人机等武器装备的直接制造方面取得了多项突破。 ▌快速制造出榴弹发射器 美国陆军于2017年成功打印出榴弹发射器，其中发射管和受弹器采用选择性激光熔融铝粉制造，触发器、撞针等其它零部件采用4340合金钢粉打印。除此之外，他们甚至还打印了40毫米口径的训练弹。出于安全考虑，研究人员对组装部件进行了测试性发射，并获得了成功。 3D打印的榴弹发射器及部件 该研究项目的任务是弄清是否可以用增材制造工艺来制造武器和弹药，3D打印的武器是否可以有效射击，而不是为了检验3D打印是否省钱或节省资源。未来，3D打印有望在短短几个小时或几天内实现对战士武器的改进和修理。 ▌直接制造用于侦查的蜂群微型无人机 自2015年开始，美国国防部战略能力办公室开始领导实施一项名为“微型无人机”的实验。实验中，战斗机会发射出一种3D打印的微型无人机，它们拥有情境意识和能力，脱离发射箱后能够根据实际战场情形发现队友并组成“蜂群”队形。 3D打印的微型无人机 微型无人机“蜂群”战术在电影中的展示威力无敌 微型无人机的机翼宽度仅约1英寸(约合2.54厘米)，除了可由F-16和FA/18战机发射外，也可由地面投掷或像弹弓一样发射升空。“蜂群＂队形，可用于侦查，也可对敌方实施一定程度的干扰。有咨询机构猜测，美国超级无人机技术综合了“3D打印+无人机+无线传感网络+人工智能”等技术。 ▌开发新型耐腐蚀两栖无人系统 美国约翰霍普金斯大学为海军开发出一种名为“耐腐蚀空中隐蔽无人航海系统”的两栖无人机，机身采用增材制造技术制造，具有构件数量少、机身重量小、接缝数量少和耐腐蚀性强等优点，可防止发动机进水，并可长时间浸没水中，具有良好的隐蔽性。 点击查看该无人机所使用的3D打印技术 END 目前，该应用方向主要开展了建立材料、工艺和性能数据库，提升设备传感能力，制定相关规范和标准，提高増材制造产品质量等关键技术研究。未来，随着增材制造技术的不断进步，有望实现各种复杂结构、复合材料的快速按需制造，并将成为武器装备制造的一个重要手段，例如枪械、微小型无人机、卫星、头盔、战斗部以及一些小型海上装备将采用增材制造进行直接制造。 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： 将电子器件打印至武器装备中，实现结构功能一体化 实现新型仿生/梯度结构设计，催生新概念武器装备 高温合金增材制造成熟用于武器装备核心部件高质量制造 突破发动机复杂系统设计局限，改进武器装备性能

在《3D打印实现制造轻量化：从材料到结构》的上篇中，我们介绍了轻量化的金属材料、碳纤维及工程塑料，并对这些材料的3D打印工艺和应用进行了介绍。本期我们推出下篇，即3D打印优化结构设计，实现制造轻量化的特点与意义。 ▌优化结构设计，降低材料使用要求 在经典的轻量化设计中，“通过替代材料减轻重量”一直是指导原则，因此，轻量化设计的附加值来自创新材料。然而，较轻的材料通常在采购、设计和使用方面都需要高昂的成本。现代轻量化设计会考虑整个系统，在概念阶段就已经专注于减轻重量。 赛车部件轻量化解决方案 采用优化设计的方法实现制造轻量化，不仅可以降低对材料的使用要求，还能减少昂贵材料的使用量，缩短加工时间。接下来，我们会介绍3D打印工艺条件下的结构优化方法以及在航空航天、汽车、医疗等领域的应用特点。 ▌轻量化结构设计方法 ●点阵结构大规模替代实体材料，减轻重量同时赋予结构功能性 在满足性能要求的前提下，采用点阵（网格）结构大幅减少了实体材料的用量，成为结构轻量化的重要手段。在传统上，金属网格结构的制造方式主要有机加工打孔和造孔剂成型，前者受到机加工条件的限制只能制造简单结构，而造孔剂造孔成型过程也并不完全可控。如今，增材制造技术极大释放了设计人员的自由度，网格结构设计的复杂程度也得以扩展，设计人员不必再过多考虑能不能实现的问题，而是哪种结构性能更好的问题。 点阵结构具有不同的胞元形状 网格结构的正向设计通过一系列的单元结构生成网格阵列，在实现轻量化的同时，填充结构的布局和设计又可产生隔振、吸声、吸能、传质等功能。组成网格阵列的单元结构也可产生不同的力学性能，关于最佳结构性能特征的设计特点以及提高网格结构可加工性和质量的设计规则也正在成为研究的趋势（研究详情请进QQ群下载）。 Materialise为Atos开发的轻量化卫星钛合金镶件（点击查看）网格结构的另一种设计方法是基于影像的反求法，主要应用于医疗领域。其原理是通过对自然骨的网格结构进行扫描，得到骨小梁结构的三维数据模型后，直接对三维模型数据进行修改设计，是基于逆向工程技术的一种延伸。这种方式设计的网格结构保留了生物网格结构的特征，但由于三角网格的数据非常庞大，对计算机的处理性能有较高要求。 基于人类松质骨CT影像数据，使用SLM技术直接制备具有类似人类松质骨结构的多孔Ti植入物，详情查看查看QQ群上传资料 ●拓扑优化为增材制造提供创新设计，增材制造为拓扑优化提供制造手段 拓扑优化是结构优化的另一重要手段，用于计算给定问题下最优的材料空间分布状态。一般而言，针对指定的目标，在给定的载荷、约束和边界条件下，通过拓扑优化算法可以在给定的设计区域内找到最佳结构配置。经拓扑优化后的零部件理论上可满足载荷需求，实现特定算法下的材料最优分布，可以获得在特定体积分数下的最优承力结构，从而实现结构的轻量化。 然而，拓扑优化的几何构型复杂，采用传统制造工艺制备非常困难，设计人员往往要基于制造技术及经验对优化结果进行二次设计，来满足可制造性，降低制造成本。这种做法往往会损坏结构的最优性，得到的结构性能甚至达不到已有构型。另一方面，受制于传统设计理念及制造工艺，结构往往仅进行宏观拓扑设计，并未充分利用结构在多尺度上的变化或者空间梯度变化所带来的广阔设计空间，使得产品性能提升非常有限。增材制造技术的出现，使得几何形式高度复杂结构的制备成为可能。著名设计专家程耿东院士提到，拓扑优化为增材制造提供了创新设计，增材制造为拓扑优化提供了制造手段。 ●创成式设计，突破设计极限，实现结构不断进化 创成式设计（Generative Design）是一个人机交互、自我创新的过程。通过算法，设计人员可以迭代数百甚至数千种不同的设计，而无需手工创建单个物理模型。通过输入不同的参数来创建多种设计结果，可以设置所需要的不同的应力水平、温度或湿度、零件可能在其工作环境中受到影响的其他因素，生成潜在的可行性设计方案，经过综合对比，筛选出设计方案供设计者进行最后决策。 通过创成式设计生成的轻量化丰田气缸盖 创成式设计可以帮助设计师优化零件强度重量比，可以模仿自然结构发展的方式，创造出最强大的结构，同时最大限度地减少材料的使用。而增材制造技术可以将复杂的设计变为现实，两者的发展正在改变着设计制造的模式。 ▌材料和结构协同制造，满足更高要求 在商用飞机、军机、火箭、卫星、汽车等领域，减重一直是永恒的话题。轻量化的材料+创新型的设计+3D打印，新模式为减重进一步释放了空间。材料和结构协同制造，使满足更高要求成为可能。 西北工业大学的研究团队调研了应用于飞机和航空航天结构设计的拓扑优化技术的最新进展。通过重新分布材料布局和相应的承载路径，拓扑优化已被认为是在航空和航天工程应用中最有效的设计工具之一。同时，航空航天结构工程快速发展中突出的大量技术难题也推动了拓扑优化理论的进步（研究内容已上传）。 传统的观测卫星天线支架由几个独立的部分通过柳钉结合，重量大、发射成本高。通过拓补优化和3D打印，天线支架减轻了40%的重量，比最低要求强度提高了30%，降低了系统成本和燃料消耗，并顺利完成静动态测试和可靠性测试，成为航天认证产品。在汽车领域，传统的车身结构及设计方法可能不再适用，取而代之的是创成式的优化设计方法，它既能减少零件质量，又能延长零件使用寿命。创成式的优化设计方法还能使车身零件数大幅减少，未来也会成为轻量化制造的有效手段。 宝马i8 Roadster软顶支架迭代过程及通用汽车采用创成式设计将8个零件集成为1个 点阵结构基于其强大的功能性，其应用覆盖高端领域和普通消费品。在点阵结构中，单胞排列可以是相同的，也可以是不同的；可以是均匀的排列，也可以是不均匀的排列；甚至可以是不同的单胞、不同的排列方式进行排列，结构可以是千变万化，对应的性能也是千差万别。 钛合金混合晶格结构 点阵结构医疗植入物 在医疗器械中，点阵结构不仅可以实现植入体减重，还可以促进人体组织的长入，加速愈合过程。在军工应用领域，点阵结构还可实现隔振、吸声、吸能、传质等功能；在消费品领域，点阵结构也广泛应用于运动鞋、头盔等产品的制造。 不同品牌不同点阵结构的3D打印运动鞋（点击查看） END 3D打印技术与制造的复杂性基本无关，结构优化能为增材制造提供创新设计，而增材制造则为结构优化提供制造手段，两者的结合实际上互相成就了对方，成为各领域结构减重、推出创新产品的新模式。 而优化的结构设计结合高性能的材料，再利用3D打印技术，采用最佳的工艺流程，就有可能实现产品的最终优化目标。 本期上传内容： 1.SLM网格结构类型力学性能及最佳结构设计特点 2.SLM直接制备近人类松质骨结构的多孔Ti植入物研究 3.西工大：航空航天结构设计中的拓扑优化 欢迎转发 延伸阅读： 3D打印实现制造轻量化：从材料到结构3D打印实现制造轻量化：从材料到结构 考虑极限特征约束的增材制造设计方法 3D打印点阵结构的特殊属性及应用场景 采用点阵结构替代支撑实现轻量化和高强设计 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738

金属增材制造技术在加工精度上与传统加工相比较低，因而受到极大限制。将增材制造与传统加工工艺有机地集成起来，成形件加工完成后无需后处理即可直接投入使用，大幅缩短了制造时间和生产成本，还可拓宽原材料范围，减少生产过程中切削液的使用，实现绿色加工。近年来，增减材混合加工工艺与装备不断涌现，在提高制造精度，增大制造尺寸、提高生产效率等方面取得多项进展。 ▌洛马公司建造世界首台多机器人增减材混合制造系统 几年前，洛马建成了世界上首台“多机器人增减材混合设备”，该设备由两个机器人串行工作，具备增材制造、减材加工和工艺过程监测、尺寸检查、热测量等多种功能，适用于多种材料加工，能够显著提升大型复杂结构的制造效率，降低制造成本。 洛马公司多轴激光束沉积打印机 洛马公司增减材制造的卫星燃料箱体 2018年，洛马公司使用电子束增减材制造技术生产了迄今为止最大的3D打印空间零件—卫星燃料箱体。采用该工艺，使部件减少了超过80％的材料浪费，并将总交付时间从两年减少到三个月，同时部件经过了严格的质量测试，使其能够承受严峻的发射和长达数十年的空间真空任务。目前，该部件已作为标准件用在了LM 2100卫星平台上。 ▌Fabrisonic公司开发出能在现有超声波增材制造设备中协同定位增减材单元的专利技术 2017年，美国Fabrisonic公司获得一项新的专利（源文件已上传QQ群），它涉及一种能在其已有超声波增材制造（UAM）设备中协同定位增材、减材单元的技术。该公司以超声波增材制造技术而著称，宣称此项专利进一步提高了其金属混合3D打印设备的能力。 点击查看3D打印“铣床”工作过程 新技术将超声波增材制造焊接头转变为一台标准数控铣床刀库中的一个工具，通过协同定位数控铣床中的焊接和铣削功能进行零件加工制造，成形速度可达245.8cm3/h，同时可提高加工精度，增大零件制造尺寸。 ▌GE公司大力推动增减材混合制造工艺发展 GE是与增材制造（AM）的进步最密切相关的主要“玩家”，最经典的当属LEAP喷气发动机的燃油喷嘴案例。2015年GE收购阿尔斯通电力公司后，还获得了通过Hamuel的混合增材制造设备来修复涡轮叶片的技术。 通过混合增材制造，GE提高涡轮叶片修复效率 该技术也是采用激光沉积焊接系统来实现增材制造，结合五轴加工、检验、抛光和激光打标于一体。特别是在修复磨损叶片和叶盘方面有着优秀的加工能力。GE采用该工艺不仅用于部件修复，还提升了部件性能。 END 目前，该应用方向开展的关键技术研究主要包括：零部件再设计、增减材混合制造系统开发等。随着航空航天等领域对高性能复杂零件需求曰益突出，如何兼顾零件复杂成形和高精度加工将受到广泛关注。未来，增减材混合制造系统将不断涌现，极大提高了成形效率和质量，将有力推动增材制造技术在批量化生产中的应用，将武器装备研制生产的周期缩短一半以上。 欢迎转发 延伸阅读： 武器：突破发动机等复杂系统的设计局限，改进武器装备性能 装备：实现新型仿生/梯度结构设计，催生新概念武器装备 将电子器件打印至武器装备中，实现结构功能一体化 大尺寸金属制造（二）--激光熔覆制造技术 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738

高温合金通常的工作温度超过600℃，在高温下的强度、延展性、抗蠕变性能以及抗腐蚀能力都很强。对于高温合金零部件，增材制造技术不仅能够缩短生产时间、降低生产成本，还能优先考虑功能设计，非常适用于制备航空发动机及燃气轮机喷嘴、叶片、燃烧室等热端部件，以及航天飞行器、火箭发动机等复杂零部件。近年来，高温合金增材制造技术发展迅速，已在航空航天领域实现了多项应用。 ▌航空发动机采用镍基合金增材制造零部件 赛峰集团是航空发动机市场中涡扇发动机和战斗机发动机的主要制造商之一。该集团eAPU60微型涡轮发动机采用了增材制造的镍基合金喷嘴，并作为AW189型直升机的辅助动力装置的核心部件之一。 eAPU60涡轮喷嘴采用选区激光熔化3D打印工艺制造，采用镍基合金X代替传统上使用的铬镍铁合金铸件。传统的涡轮喷嘴由八个组件组成，通过3D打印允许将其切割成仅仅四个部件，使得喷嘴比原来轻了35％。采用3D打印技术制造涡轮喷嘴也缩短了开发时间，3D打印组件可以在几天内就完成制造。 XWB-97拥有有史以来首个最大的3D打印民用航空发动机组件 罗罗公司通过与英国制造技术中心（MTC）合作，在XWB-97发动机中采用3D打印制造了镍基合金前轴承座结构件，该部件直径1.5米、厚0.5米，大小类似于拖拉机轮胎。该组件并非整体，其包含的48个气动形状的叶片组件也是采用増材制造技术制成。 ▌巡航导弹等高超声速武器使用高温合金增材制造燃烧室   超燃冲压发动机是高超声速武器的源动力之一，其整个结构在工作过程中整体会处于非常高的温度状态，当飞行速度为6倍声速时，燃烧室温度达2700 K左右，进口处的温度甚至也达到1500K。 高超声速武器发动机再生冷却结构（点击查看） 如此高的温度普遍使用主动冷却系统，即再生冷却结构，其水力直径约2 mm，比火箭发动机的冷却通道尺寸更小。2016年，美国ATK公司采用激光粉末床熔融技术，实现了燃烧室的一次性整体成型，不仅大幅降低了设计与制备难度，而且有效提高了燃烧室的整体性能，而高温合金就是制造燃烧室的主要材料。 ▌增材制造镍基合金用于火箭发动机部件 2017年，美国洛克达因公司与美国空军合作开发了价值约1.15亿美元的AR1火箭发动机，旨在取代俄制RD-180发动机。 AR1火箭发动机采用3D打印制造了一种高强度、耐烧蚀性好的镍基超金属合金材料(Mondaloy200™)，用于制造转子和流体之间传递能量的发动机部件，此前俄制RD-180发动机部件需要金属涂层，而这种新材料则无需涂层。 ▌空客部署高温合金大型工业级金属增材制造系统 2016年，西亚基公司向空客交付的电子束增材制造(EBAM)110系统，能够在打印过程中实时监测和控制，可用于许多金属和难熔合金，如铁、钽、铌、钨、镍和不锈钢等。 EBAM 110系统建造尺寸为1778×1194×1600 mm 从诸多报道也可以看出，当前电子束3D打印正普遍用于高温合金的成型，除了上述案例，最为知名的当属GE在近两年大批采购和使用ACRAM EBM打印机，其生产的钛铝合金叶片已经应用于GE9X发动机，相比传统使用的镍基合金轻50％左右，具有更加优异的强度重量比。 GE9X发动机低压涡轮TiAl合金叶片（点击查看） END 高温合金增材制造作为目前的研究热点与前沿方向，主要围绕钛合金、镍基高温合金、钴铬高温合金等材料开展大量技术与应用研究。该应用方向主要开展的关键技术研究包括：开发模型、性能预测、高温合金增材制造标准化等。未来，高温合金增材制造将成熟用于航空发动机、军用发动机、燃气轮机等装备，主要在燃气式、涡轮叶片、涡轮盘等核心部件的制造中使用，有望大幅降低武器装备的生产成本，缩短生产周期。 《高温合金和金属间化合物高温材料的分类和牌号》已上传QQ群。 欢迎转发 延伸阅读： GE9X发动机：多材料金属3D打印航空应用的集大成者 国内空天动力部门对3D打印高温合金的有哪些要求 突破发动机等复杂系统的设计局限，改进武器装备性能 发动机涡轮叶片的传统与3D打印制造过程 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738

传统的电子元器件通常是坚硬的，而柔性电子器件以其独特的柔性和延展性，在武器装备中具有广泛的应用前景。采用增材制造技术，将超薄的导电油墨等材料直接打印到柔性基底材料上，可实现武器装备的结构功能一体化。近年来，外军积极利用增材制造技术改进装备设计，实现结构功能一体化。 ▌将电子器件直接打印到武器装备上，提高装备性能 美国陆军尝试采用增材制造技术将电子器件打印至头盔、战服、无人机和火炮等装备上。研究人员使用喷墨打印机和电流传导油墨来打印电子器件。 3D打印的柔性电路板 3D打印的无人机电路板 这一工艺使工程师可将传感器直接打印至武器或一件衣服中。例如，将由银纳米粒子构成的无线电天线打印至一个灵活的聚酰亚胺衬底上，然后嵌入士兵的头盔中，取代目前附着在头带上的天线。或者，电子器件可打印至火炮旁侧，从而释放更多空间。 ▌开发新型3D打印可穿戴天线，可用于战场通信和监控等 印度军方开发出一种轻量、灵活和防水的3D打印天线，可以植入士兵们的军服中，该设计（由环氧树脂基板和薄铜膜组成）比传统的天线模型要更加灵活。 通过智能材料和结构实现功能性 3D打印天线长约3厘米，宽约4厘米，设定的工作频率在3.37 GHertz左右，可以嵌入纺织品，从而实现WiMAX（全球微波接入互操作性）应用。除了军事应用，这种天线也可用于远程医疗和环境监测。 ▌利用3D打印实现发动机叶片的监测功能 喷气式飞机的维护费时费钱，但将传感器打印到航空航天部件上的一种新的3D打印方法有助于优化这一过程。英国利用气溶胶喷射技术，能够将应变及光学蠕变传感器直接打印到喷气发动机压气机叶片表面上。 在涡轮叶片结构上直写传感器和电路 利用传感器的激光检测系统和光学测量功能，研究者们能确定10纳米内的元件蠕变。这使得人们可以实时监测叶片工况，有助于提高燃油效率和发动机工作温度，降低航空航天器维护成本。 END 目前，该应用方向主要开展了结构功能一体化设计、增材制造新材料开发、多材料3D打印等关键技术研究。未来，雷达、天线、探测器等电子器件将更多采用增材制造技术生产，而柔性电子器件的增材制造是未来发展的热点。此外，还将实现可穿戴式传感器、嵌入式电子器件的高效、低成本制造，大幅提升装备性能。 欢迎转发 延伸阅读： 阅兵式：我国新一代军机普遍使用3D打印技术 装备：实现新型仿生/梯度结构设计，催生新概念武器装备 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 兵器：3D打印助力巡航导弹等高超声速武器制造 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738

近年来，增材制造技术呈现出持续快速发展态势，军事强国围绕增材制造技术进行研究攻关，加速推进其在各类武器装备研制与维修保障中的应用。随着制造工艺、适用材料、设备加工能力、技术标准等不断优化和完善，增材制造工艺将获得更加广泛的应用，并扩展到更多的武器装备及其关键零部件设计及研制生产中。 综合分析近年来增材制造技术的研究进展，以及外军増材制造应用的典型事例，可以预见，未来将在八个方面将取得显著突破，成为武器装备增材制造技术应用的主要方向。本期我们介绍第一方面：突破发动机等复杂系统的设计局限，改进武器装备性能。 随着航空航天领域的发展，发动机等复杂系统的性能要求越来越高，产品研发难度也将显著增大，采用传统设计制造模式难以满足需求。增材制造技术在复杂系统设计及制造方面的优势将使其在发动机等装备研发生产中获得广泛的应用。近年来，外军已将增材制造技术用于火箭发动机、航空喷气发动机等复杂系统的制造，不仅简化了设计流程，并且实现了传统制造手段无法满足的设计要求，大幅缩短了生产周期，降低了生产成本，同时提升了武器装备性能。接下来我们介绍几个典型案例。 ▌实现世界首台电动液体火箭发动机快速低成本研制 2016年，美国火箭实验室公司开发出世界首台采用电动泵输送推进剂的液体发动机——＂卢瑟福”，其75％以上的部件采用增材制造，可3天完成生产。由于减少了燃气涡轮泵系统中大量复杂的管路、阀门，及燃气发生器等装置，可大幅降低复杂度和制造成本，提高可靠性，便于快速批量生产。截至7月份，该公司已打印了100台卢瑟福火箭发动机。 Rocket Lab首席执行官彼得•贝克与3D打印（EBM）制造的火箭引擎▌实现火箭发动机喷嘴创新设计 火箭发动机喷嘴的外部结构看起来简单，但其内部结构非常复杂。2018年，NASA马歇尔太空飞行中心采用激光直接沉积金属丝材（LWDC）的方法，实现喷嘴冷却液通道的精确封闭，同时在适当的位置形成支撑结构，实现了火箭发动机喷嘴的创新设计，将喷嘴的制造周期从几个月缩短至几个星期。 NASA采用LWDC制造的多材料复合再生冷却推力室关于该工艺及产品的具体研究资料已上传QQ群▌GE公司将增材制造技术作为发动机设计制造的重要手段 2017年，GE公司采用面向增材制造的设计和制造方式完成了T901-GE-900涡轮轴发动机样件的生产，该发动机中使用了大量的增材制造零部件，其中一个零部件是由原来需要51个子部件组装而成的，使T901发动机的重量降低了20%，经过测试，其性能也获得了提升。 阿帕奇和黑鹰直升机使用T901动力 END 目前，该应用方向主要开展了复杂结构件设计、面向增材制造的设计、蜂窝结构设计优化、增材制造可靠性提升等关键技术研究。未来，火箭发动机、航空发动机等复杂系统将大量采用增材制造设计和生产，并且更多的复杂系统将逐渐采用面向增材制造的设计，突破传统设计局限，实现性能提升和创新式发展。更多内容，请关注延伸阅读。 关于NASA采用LWDC制造的多材料复合再生冷却推力室的具体研究资料已上传QQ群。 欢迎转发 延伸阅读： 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 3D打印在固体火箭发动机上的研究现状及国内应用案例 3D 打印在航空航天领域的研究现状及国内应用案例 3D打印火箭再生冷却推力室的材料、机遇与挑战 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738

在本次阅兵式上，陆军、海军、空军、火箭军和战略支援部队部分新型武器装备受阅，集中展示了70年来国防科技工业发展水平和军队建设的巨大变化。继朱日和沙场阅兵和海上专项阅兵后，首次亮相的新型武器装备比重较高。 参阅的武器装备有两大特点： 第一，所有受阅装备均为国产现役主战装备。其中包括我军部分新型装备，集中展现我军联合作战装备体系构成，比较充分地体现了我国国防科研自主创新能力。 第二，受阅装备信息化程度普遍比较高。具体来说就是，指挥控制能力更强，打击精度更高，战场适应性更好，作战效能更大。 轰炸机梯队 3D打印加速军机研发和发展壮大 先进装备的开发与制造，离不开先进的制造工艺，3D打印因受技术、成本的限制，难以取代大规模流水线生产，但其不需要模具，可实现从设计到零件的直接转化，完成快速、自由的制造，在武器装备的设计，复杂、昂贵部件的制造，以及维修保障等方面得到广泛的应用，是未来军事装备领域制造技术革新的关键。目前3D打印已在我国军机上得到广泛应用。 3D打印技术简化了高性能金属零部件的制造流程，从而极大的缩短了军用飞机研发制造周期。国防大学军事后勤与军事科技装备教研部教授李大光表示上世纪八九十年代，要研发新一代战斗机至少要花10-20年的时间，而借助3D打印技术，最少只需3年时间就能完成。 国内外军机研发耗时（前瞻网整理）3D打印技术可以用于优化复杂零部件的结构，从而起到减轻重量、增加使用寿命的效果。美国F16战机上使用3D技术制造的起落架，平均寿命是原来的2.5倍；据专家估计，F-22的钛合金锻件，如果使用3D打印技术制造可减重40%。 3D打印技术在优化军机零件结构方面的应用（前瞻网整理） 作为目前世界上唯一掌握激光成形钛合金大型主承力构件制造、应用的国家，我国第一款舰载战斗机歼-15、多用途战斗轰炸机歼-16、第一款本土隐形战斗机歼-20及第五代战斗机歼-31的研发均普遍使用了3D打印技术。 我国新一代军机普遍使用3D打印技术（前瞻网整理） 在歼-15战机上，其前起落架大型整体钛合金支撑框利用激光增材制造而成。之前需要螺钉进行连接的两个或者多个部件，通过3D打印技术一次成型，保证足够强度的同时，既减轻了重量，还降低了加工难度，目前已经累计飞行起降10000余架次，工作正常。而3D打印所避免的传统加工设备成本就超过5亿元。 中国空军歼-15 3D打印对飞机结构的减重起着巨大的作用，中国现有的3D打印技术已经可以打印飞机的一些承力框部件、航空发动机重要部件过渡锻等。中航集团沈阳所利用国内结构设计新技术、新型结构材料和新工艺将苏-27改进为歼-11B并装备部队，该机实现成吨减重，飞机结构强度和推重比明显提高，这里面，3D打印技术功不可没。 歼击机梯队 在运-20研制中，激光增材制造技术在7天内完成了6种机身/主起落架接头大型主承力构件的快速制造，确保了飞机如期首飞；成果被确定为飞机“降成本计划”的主要途径，主起落架支柱、翼/身对接框、尾翼悬挂操纵一体接头等8大类、28种大型复杂整体钛合金关键主承力构件通过工程验证考核并陆续按计划装机应用。 中国运输机 END 3D打印技术对于国防、航空等重点领域高端复杂精细结构关键零部件的制造起到了很大作用，为其提供了应用的支撑平台。除了本文中提到的战斗机、轰炸机与运输机，3D打印在武装直升机上同样有广泛应用，其中就包括大气数据系统部件的高复杂性和集成制造。展望未来，3D打印将继续作为未来制造业不可或缺的工具，对航空航天和国防工业的发展带来源源不断的推动力。 注：本文所述均来自网络公开内容，参考如下： （1）中国激光3D打印带路人王华明当选工程院院士 参与运20C919研制，观察者，2015.12.07 （2）《开讲啦》歼-15舰载机总设计师孙聪：不突破常规 就不是好设计师，央视网，2017.05.26 （3）2018年中国3D打印产业发展现状与市场前景分析 3D打印在军事装备领域得到广泛应用，前瞻产业研究院，2019.03.04 欢迎转发 延伸阅读： 国内空天动力部门对3D打印材料发展的有哪些期待 国内外采用3D打印直接制造飞机起落架的技术和材料 3D打印在航空航天领域的研究现状及国内应用案例 3D打印在固体火箭发动机上的研究现状及国内应用案例 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738

轻量化的实现途径主要有三大方面：一是材料的优化设计和应用；二是产品结构的优化设计；三是先进制造技术的开发应用。三者相辅相成以实现最终产品的轻量化制造，而这其中产品结构优化设计和材料的优化设计具有广大的研究和开发空间。本期我们讨论的重点是3D打印轻量化制造的第一部分，材料和工艺。 轻量化材料就是可以用来减轻产品自重且可以提高产品综合性能的材料。材料轻量化，指的是在满足机械性能要求的前提下，通过采用轻量化的金属和非金属材料实现重量减轻的方法。在当前的轻量化材料中，钢铁仍然保持主导地位，但钢铁材料的比例逐年下降，铝合金、钛合金、镁合金、工程塑料、复合材料等材料比例逐渐增加。这些材料在汽车制造领域的应用尤其广泛，我们讨论的重点也在该领域。 ▌金属轻量化材料 铝合金 汽车上常见的合金材料大多为铝合金、镁合金。其中铝合金是现阶段应用最广、最为常见的汽车轻量化材料，曾有研究表明铝合金在整车中最多可以使用540kg，这样的情况下汽车将减重40%，奥迪、丰田等的全铝车身就是很好的例子。 目前铝合金3D打印材料种类主要有AlSi10Mg、AlSi7Mg、AlSi12等，其中AlSi10Mg几乎占据绝对主流。针对AlSi系列合金的力学性能不高，无法满足高强度要求的现状，目前开发出的高强铝合金有空客的Scalmalloy、英国铸造公司Aeromet International的A20X、长沙新材料产业研究院的AlMgSc系以及苏州倍丰的Al250C等。 奔驰汽车3D打印的铝合金恒温器盖 2017年，梅赛德斯-奔驰在制造业转型中迈出了重要一步：使用3D打印技术生产金属部件，其中就包括采用铸铝合金3D打印的奔驰卡车的恒温器。不仅如此，梅赛德斯-奔驰表示，该环节通过了所有严格的质量测试。 钛合金 钛合金的主要优点是低密度、高强度密度比和优异的耐腐蚀性，另外即使在温度升至500°C时仍能保持很高的强度。钛合金用于汽车与钢、铝合金以及镁合金相比的主要缺点是成本高，但其在汽车其他方面的应用具有轻量化的潜力，可用于制造悬架弹簧、排气系统等部件。 采用3D打印制造的布加迪跑车钛合金卡钳，重量由4.9公斤减少至2.9公斤 一个典型案例是布加迪对传统的刹车盘的设计优化，其采用高强钛合金代替传统铸铝，虽然材料的密度有所提高，但材料性能得到大幅提升，配合结构设计，最终通过3D打印制造的卡钳重量减轻了40%。除此之外，钛合金作为一种高强轻量化材料，在航空航天领域具有极大的应用空间。 镁合金 镁合金也是一种强度较大的合金材料，现阶段我们可以在汽车轮毂、离合器等部件上看到它的身影，尽管它比铝合金更轻，但在汽车上的用量却很少，从目前来看世界一流的汽车上镁合金用量也仅为10kg，而自主品牌汽车镁合金用量则更少，仅为3kg左右。想要大规模的使用镁合金，还需在技术和成本上有所突破。关于镁合金的3D打印应用，目前多见于研究，公开报道的案例非常少见。 镁合金在汽车中的应用 ▌非金属轻量化材料 碳纤维 除了合金以外，近些年汽车上也出现了一些新型轻量化材料，碳纤维就是其中之一。有研究表明，如果用强度可靠的碳纤维替代钢材，车身、底盘的质量将下降40%-60%，轻量化效果可见一斑。 多材料空间框架：铝合金+超高强度钢板+碳纤维增强复合材料 碳纤维目前无法直接用于3D打印，通常作为增强材料使用，包括基于激光烧结的短纤增强和基于FDM的长纤增强两种。将碳纤维嵌入到常规材料中，可以使部件强度提升几十倍，其强度重量比甚至超过很多金属材料。这种制造工艺更类似于新的材料设计，因此在轻量化方面有非常广的应用空间。 碳纤维长纤增强3D打印：左测基材，右侧增强材料 福特3D打印的碳纤维进气歧管 在2015年的托纳汽车耐力赛期间，福特采用碳纤维3D打印制造了赛车增压室进气歧管，部件的制造仅一周时间，从而为汽车开发工程师提供了更多的测试、调整和完善时间。除此之外，福特车队的赛车还包含众多其他的3D打印部件，为赛车的轻量化、快速制造提供了保障。此次比赛，该车队也赢得了冠军。 工程塑料 另一种轻量化的材料是工程塑料，多用于制造汽车内饰件、电器件、进气歧管、控制面板等部件，既可以用作原型验证，也可直接制造最终功能部件。武汉萨普曾采用尼龙材料打印了2*0.5*0.7m的大尺寸汽车仪表盘，可对抗高温和高频振动，研发周期缩短了47%，制造成本降低了54%，而且还实现了轻量化。 3D打印的尼龙材料2*0.5*0.7m的大尺寸汽车仪表盘 奥迪汽车3D打印一次成型彩色透明尾灯盖玻片 特种塑料的3D打印市场在近年来呈现增长趋势，这不仅体现在用于3D打印的特种材料的丰富，还包括打印设备、工艺以及应用的多样化。知名的特种塑料3D打印制造商还有Stratasys，其针对航空航天、汽车行业开发了专门的打印机和高性能材料，有的甚至已经获得了航空认证。 3D打印的汽车特种材料零件 特种材料的3D打印区别于传统的塑料打印机，它往往需要更高的打印温度和保温环境，在设备开发过程中往往具有一定的门槛。目前较为知名的FDM品牌有markforged、Roboze、Apium等，国内方面有一迈智能和上海远铸等公司。这些特种材料一般包括PA、PEEK、PEKK以及PEI等。 ▌轻量化材料与先进制造工艺结合 轻量化材料的使用必须与产品设计和制造工艺相结合，只有这样才能达到有效的目的。开发适应轻量化材料的新工艺不仅可以加速新材料在汽车上的使用，同时还可以降低材料成本，有利于扩大应用。据汽车界人士预测，在今后十年中，汽车自身质量还将减轻20%，除了大量采用复合材料和轻质合金外，新材料的集成制造工艺会显著降低车身部件数量，车身设计方法也将发生重大变化。 3D打印作为一种先进的新型制造工艺之一，受到了来自汽车制造商的广泛重视，它的优势体现在增量制造所带来的材料浪费损失的降低，以及集成制造带来的轻量化效果的大幅提升。即便3D打印可直接制造的材料仍然有限，但在轻量化材料直接制造方面似乎并未遇到太多阻力。 目前，成熟的3D打印工艺和材料受到了很多汽车制造商的重视，大众、福特、宝马等汽车厂商均设立了包括增材制造在内的先进制造中心，这无疑为汽车的轻量化制造带来了更多机遇。 欢迎转发 延伸阅读： 奥迪实现高效3D打印产出的应用经验 大众汽车：在生产线上使用3D打印机进行车辆生产 福特汽车：借助3D打印技术重塑汽车生产线 FDM 3D打印技术如何助力汽车行业应用 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738

航空、航天、军工是3D打印的重要应用领域，也是最能发挥3D打印优势的行业。从导弹到火箭，从发动机到卫星，3D打印开辟了结构设计的全新可能性，它在结构减重、强度、传热等方面具有极大的优势。 在一次增材制造的会议中，笔者了解到国内的航空航天部门在3D打印材料的基础研究、典型结构件、方案验证等级别的攻关中均已取得开创性成果。一些前沿的应用包括，歼-15战机前起落架大型整体钛合金支撑框采用3D打印制造，嫦娥四号实现3D打印零件在轨应用，千乘一号卫星主结构是国际首个基于3D打印点阵材料的整星结构等等。 嫦娥四号着陆月球背面 这样的应用案例还有很多，这些成果的取得离不开先进的工艺，也离不开强大的材料。以高温合金为例，在现代先进的航空发动机中，高温合金材料的使用量占发动机总质量的40-60%。目前高品质的粉末材料已基本实现国产自给自足，然而国内空天动力部门却也对国内材料产业发展有自己的一套看法。本期，3D打印技术参考对其进行叙述。 ▌空天应用对3D打印材料的需求 ●适合3D打印高温合金牌号研发 ●批次稳定性和可靠性提升 ●多材料复合设计与制备 ●成型工艺参数最优化 ●力学+热学性能协同优化 3D打印镍基高温合金航空发动机机匣 ▌3D打印高温合金研究与应用存在的问题 ●高温强度及塑性低，性能稳定性差 ●微结构与性能间的本构关系认知浅 ●热处理强化机理不同，热处理优化研究不系统 ●高温性能数据积累少 ●适合3D打印的高温合金材料牌号少，急需研究新牌号 ●原材料大量依赖进口，不利于自主可控发展 ●3D打印高温合金的标准和规范缺乏 3D打印镍基高温合金航空发动机叶轮 ▌3D打印高温合金原材料：需自主可控，国产替代亟待发展 国内现状   ●制粉装备多 ●收得率低 ●粉末品质较低 ●稳定性差 ●缺少规范 ●部件打印主要依赖进口粉 技术问题   ●母合金 纯净度 稳定性 ●粉末球形度 ●粉末流动性 粒度分布 粒度配比 3D打印GH4169火箭发动机预旋喷嘴 END 当前，航空航天和国防工业中的重要工程对3D打印应用的需求在不断增加，高温合金用量在持续稳步增长，高质量低成本的金属粉末制备技术已成为制约金属3D打印深入应用的瓶颈。 从上面的评述也可看出，国内金属3D打印材料的发展问题仍然颇多，核心关键材料和工艺尚需进一步发展，相关的基础性研究也需要大力跟上。 欢迎转发 延伸阅读： 看3D打印如何助力中国军备 粉末一致性对3D打印的意义 粉末粒度分布和微量元素差异造成的金属3D打印质量问题 PREP制粉技术正在粉末品质和价格上双重挑战传统气雾化制粉技术 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738