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3D打印有望在航空航天領域實現大規(guī)模應用

2022-02-14

航空航天的低價格敏感度與 3D 打印的獨有制造優(yōu)勢相輔相成。一方面,航空航天領域特別注重產品的性能,尤其是軍用領域很多時候為了獲得更高的性能 不計成本,較低的價格敏感度為 3D 打印在航空航天的大規(guī)模應用打開了空間。 另一方面,“輕量化”、“高強度”以及“復雜零件集成化”一直是航空航天零部件 制造和研發(fā)的主要目標,3D 打印技術的出現使得傳統(tǒng)制造工藝無法實現的結構成 為了可能,反過來促進了航空航天行業(yè)的發(fā)展。我們認為,航空航天與 3D 打印行業(yè)再未來將擁有更佳多樣化的發(fā)展方向。

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航空企業(yè)由于其產品的特殊性,其設備制造材料、工時消耗都需要花費巨大成本,而3D打印技術可以有效的降低高耗材料,提高設計效率,減少零件使用,提升結構整體化,而航空航天行業(yè)普遍存在追求高性能,對價格敏感度不強,可以比其他制造行業(yè)更早的實現廣泛的3d打印生產作業(yè)。

3D 打印在航空航天領域的優(yōu)勢主要體現在以下幾個方面: 

1)能夠實現復雜的結構設計并減重。相對于傳統(tǒng)制造方法,3D 打印在生產 復雜精細結構方面具有獨特優(yōu)勢,比如復雜的幾何結構及內部通道,結合 結構拓撲優(yōu)化技術,能夠顯著減輕零件重量。而對于航空航天來說,減重 是永恒的主題。根據公司招股書,粗略統(tǒng)計,飛機重量減少一磅,平均每 年可以節(jié)省 1.1 萬加侖燃油,美國 GE 公司預計 3D 打印零件未來可占航 空發(fā)動機零部件的 50%,使其研發(fā)的大型航空發(fā)動機每臺至少減重 454kg。 3D 打印在一定程度上解除了制造工藝對結構設計的約束,大幅提升了航 空航天行業(yè)的設計和想象力,因此越來越多的部件設計開始建立在通過 3D 打印制造的前提下。

2)降低原材料成本。航空航天行業(yè)大多使用價格昂貴的戰(zhàn)略材料,比如鈦合 金、鎳基高溫合金等,而大型航空鈦合金零件的材料利用率非常低,某些 部件在鍛造、機加工的過程中去除的材料超過 80%,而 3D 打印相比傳統(tǒng) 減材制造幾乎沒有材料浪費,大幅降低了原材料成本。

3)減少零件數量并提高零件性能。航空航天的零部件一般都較為復雜,部件 通常需要由更細小的零件焊接組裝而成,零件與零件之間的配合、傳導在 一定程度上影響了部件的整體性能,而 3D 打印技術能夠對復雜部件一體 成型,顯著提升了部件的性能。以 GE 為 LEAP 發(fā)動機設計的 3D 打印燃 油噴嘴為例,整套噴嘴可以一次成形,無需后續(xù)焊接,零部件數量從 20 個降為 3 個,重量減少 25%,成本降低 30%,使用壽命延長了 5 倍,自 2015 年通過 FAA 聯邦認證以來該型噴嘴已積累生產超過 6 萬個。 

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4)顯著縮短新裝備的研發(fā)周期。航空航天技術關系國家安全,世界各國之間 競爭激烈,各國都試圖更快地研發(fā)出新的裝備。金屬 3D 打印技術讓高性 能金屬零部件,尤其是高性能大結構件的制造流程大為縮短,無需研發(fā)零 件制造過程中使用的模具,大幅縮短了產品研發(fā)制造周期。例如 3D 打印 技術使得 NASA RS-25 的發(fā)動機擋板生產時間從 9 個月降至 9 天,GE 航 空對 GE9X 航空發(fā)動機燃燒系統(tǒng)的設計時間縮短至幾個月,而通過傳統(tǒng) 制造方法整個設計流程將耗費 18 個月。 近年來,3D 打印在航空航天領域中的應用愈加廣泛,市場進入迸發(fā)前夜。 2016 年,空客公司搭載有增材制造部件的 A350 客機完成了為期兩年的測試,展 現了增材制造在航空工業(yè)上的技術可行性和未來潛力;2017 年,波音公司在 787  Dreamliner 客機上使用 3D 打印鈦合金部件,預計可將每架 787 客機的制造成本 節(jié)省 200~300 萬美元;截至目前,GE 已順利生產了超過 6 萬個 3D 打印燃油噴 嘴,而 GE9X 作為目前世界上最先進的商用發(fā)動機之一,整體使用了 304 個 3D 打印零部件,涵蓋燃油噴嘴、熱交換器、導流器、葉片等七大類部件,為其他發(fā)動 機廠商的新型號研制提供了指引;在航天領域,SpaceX 早在 2013 年就通過 3D 打印制造了 SuperDraco 飛船火箭發(fā)動機的引擎室,實現了傳統(tǒng)工藝難以制造的 復雜冷卻通道、噴油頭和節(jié)流系統(tǒng);此外,SpaceX 的獵鷹 9 號火箭能夠在短短幾 年間成熟離不開 3D 打印在設計迭代過程中的幫助,獵鷹 9 號上使用了包括關鍵 的氧化劑閥體等在內的大量 3D 打印零件。 我國作為航空航天領域的追趕者,也將在很大程度上參考國外大規(guī)模使用 3D 打印技術的經驗。此外,由于航空航天行業(yè)的敏感性,國外領先的 3D 打印企業(yè)如 GE 增材、EOS 等與鉑力特等國內 3D 打印企業(yè)很少出現直接競爭,同時國外廠 商的服務能力較弱,無法及時響應國內客戶的需求,因此具有本土化服務、響應 迅速優(yōu)勢的國產 3D 打印廠商有望更多的獲得客戶的青睞,競爭格局優(yōu)越。

就目前而言從空客A350客機到獵鷹9號再到GE9X商用發(fā)動機,3D打印機在商用級、軍用級、航天級等航空航天領域中有著深遠的發(fā)展空間,并且已經有數量可觀的航天設備零件使用3D打印機作為生產驗證的主要方式,就目前而言2020年度全球航空航天市場規(guī)模占據整個3D打印行業(yè)30%以上的利潤,而在未來也擁有著十分可觀的上升可能性。


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