3D打印技术在航空维修中的应用研究

姜舟，任斌斌

（三亚航空旅游职业学院，海南 三亚 572000）

3D打印技术在航空维修中的应用研究

姜舟，任斌斌

（三亚航空旅游职业学院，海南 三亚 572000）

近几年，3D打印技术发展迅速，在很多领域广泛应用。作为当前新兴技术，3D打印技术的应用前景十分广阔。本文从3D打印技术的定义、国内外研究现状、应用前景展开综合分析，对3D打印技术在航空维修的应用进行研究，探讨3D打印技术在航空维修中的可应用性。

3D打印；航空维修；增材制造

1 概述

3D打印技术又称增材制造技术，是减材制造之后发展起来的一种快速成形技术。利用产品3D模型数据，进行逐层分切打印并叠加，最终形成完整的产品。它在加工制造过程中基本不产生任何废弃物，在贵重稀有金属的加工中优势突出，尤其是在航天制造领域。近几年，3D打印技术被广泛应用于电子产品、生物医疗、模具制造、航空等领域，目前已经打印出建筑模型、艺术品、巧克力、细胞、骨骼、牙齿、器官、汽车、发动机、无人机、飞机起落架、火箭发动机喷嘴等产品，在成本、周期、质量等方面取得显著效益，特别是在航空领域的发展，引起相关人员高度重视。航空领域发展过程，随着飞机数量不断增加，航空维修至关重要，在确保航空安全前提下，如何有效地降低航空维修成本是每个航空公司都在研究的课题。

2 3D打印技术在国内外发展现状

在3D打印技术行业，欧美最为发达。在航空航天领域，波音、空客、通用电气都将3D打印技术作为战略性技术来研发。近年来，3D打印技术在金属零部件的制造上取得重大突破。2015年3月，美国Carbon3D公司开发了一种新型3D打印技术-连续液面生长技术，利用平衡紫外光和氧气在液体介质中熔化物体，来创造可调谐的光化学实现3D打印，取代了现行的一层一层机械化成形零件。打印的零部件最小尺寸可小于20 μm。相对于传统3D打印技术，该技术可以打印超复杂几何结构，打印速度比传统3D打印技术快几十倍。2016年1月，美国西北大学研发了新的金属3D打印法，这种两步法能够更经济、快速、均匀的打印金属混合物、金属氧化物、合金等多种金属，采用一种由金属粉末、溶剂和粘结剂组成的液态油墨材料，通过注射或挤压工艺打印出坯体，之后在熔炉里烧结。

自20世纪90年代，清华大学、北京航空航天大学、西安交通大学、华中科技大学等高校就开始对3D打印技术进行研发，并取得一些列研究成果。目前，我国3D打印技术已基本实现了产业化，中国航空航天领域发展迅速，其部分技术已处于世界领先水平。中航成飞与沈飞计划将在战斗机歼-20和歼-31中通过3D打印技术制造钛合金主体结构件，大幅减轻飞机结构的重量，提高可靠性。值得一提的是，国产大客机C919在设计制造过程，西北工业大学凝固技术国家重点实验室下设的激光制造工程中心利用3D打印技术制造出机翼中央翼缘条，无锡飞而康快速制造科技有限公司通过3D打印技术完成机身的登机门、货舱门以及服务门的23个钛合金零部件的打印。可见，3D打印技术对国产大客机C919的研发工作和制造有着重要作用。2015年7月，在北京举办的“国防科技工业军民融合发展成果展”中，北京航空航天大学的展板介绍了近50件3D打印的大型关键钛合金、超高强度钢构件。这些构件通过了大型客机、大型运输机、舰载机、新型火箭等装备的动强度、静强度、疲劳寿命、震动、冲击等全尺寸零件试验测试。可以看出，通过3D打印技术制造的零部件满足航空维修领域的使用要求，越来越多打印出的零部件将用于航空领域。

3 3D打印技术在航空维修中的应用

3.1 航空维修现状分析

随着飞机数量的增加，在确保航空安全前提下，如何有效地降低航空维修成本、提高资源管理、增加经济效益是每个航空公司都在研究的课题。而阻碍课题研究的问题就是航材问题。航材管理方式对降低维修成本至关重要，但我国航空公司在航材管理上存在以下几个问题。

（1）航材库存不足。航材保障只针对一些常见故障，如遇到特殊状况，不能在国内航材库及时借调到所需航材。将造成故障无法短期排除，导致故障保留或飞机停场。

（2）航材库存过量。随着飞机数量的增加，扩大航材采购及储备可保证航班正常运行，在标准的航材储备环境，超过5年会有金属件锈蚀现象；超过10年大量的硫化封严就会失效 ，航材过量存储将造成资金积压，直接影响航空公司的经济效益。

（3）航材供应链管理问题。航材供应链管理是指将航材的生产与修理厂商、专门的航材保障部门及基层机务维修部门组成的航材供应链综合一体通过密切各级节点间的协调合作关系达到缩短航材供应时间、加快航材周转、 降低航材保障费用、优化航材保障资源配置的管理模式。因为订货、供应、运输等环节导致供应链变长或者中断，航空维修将得不到保障。

3.2 3D打印技术在航空维修中的应用优势

在航空维修中，其零部件的制造加工要求非常多，如减轻重量、缩短研制周期、结构复杂、延长使用寿命、提高经济性等。3D打印技术在很短时间内就能打印出所需零部件，既不需要存储大量零部件，也不需要大规模的生产线，制造出来的零部件适合用于多品种、小批量、结构复杂、原材料价值量高的结构制造。因此，3D打印技术用于航空维修，主要有以下应用优势。

（1）解决航材库存问题。随着3D打印技术的发展，从产品全过程分析，3D打印技术使零部件只需保存电子文档，不再需要制造出来存在仓库，不需要大量生产，大幅度降低航材库存过量、不足的问题。

（2）减轻重量、缩短研制周期。据统计，很多情况下3D打印技术只需要传统制造法1/10的材料。而且3D打印技术生产出的零件更加精细轻盈，作为增材制造技术，可以实现无焊接、铆接等组装工艺，减少螺栓连接件，较传统的切削加工技术，重量得到减轻。3D打印技术将复杂形状的设计方案通过计算机图形数据快速加工生成实体产品，从而研制周期得到缩短。

（3）缩短供应链。随着3D打印技术的不断发展，该技术在航空维修领域将得到广泛应用。在实施维修过程时，需要更换什么零部件，只需把它打印出来。按照需要制造出结构复杂的零件、确保交货时间的同时，3D打印技术通过摒弃生产线，将缩短生产周期、缩短产品供应链，从而大幅降低维修成本。

（4）在结构件维修中的应用。3D打印技术可以根据零部件的3D数字模型，对老旧或损伤零部件进行维修与工装。目前，国内外已经有采用3D打印技术对复杂结构件进行维修的实例。特制的3D打印机则可根据相应3D建模技术中所存储的完好零件的形状与尺寸，对损伤部分进行喷印修复。对于磨损程度未达到更换标准的备用件，诸如磨损的轴承、发射车轮胎部件,也可以通过3D打印技术进行小范围的修补，大大降低更换零部件的成本。

4 结语

综上所述，作为当前的一种新兴技术，3D打印技术正在使传统工艺发生深刻变革。与欧美国家相比较，我国3D打印技术尚未发展成熟，尤其在航空维修领域的应用相对较少。我们应把握住新一轮产业变革的重大机遇。采用3D打印技术进行零部件的制造可解决航材库存问题、降低维修成本、缩短研制周期以及简化供应链。它将对推动航空维修领域的发展起到了重要作用。但该技术仍面临一些棘手问题，如打印材料、仿真设计、质量监控、知识产权、信息安全等问题。随着3D打印技术的迅速发展，相信不久的将来可以通过计算机建立一个关于航空维修3D图像数据库，3D打印技术在航空维修中的应用是完全可以实现的。

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