當記者拿出一張“3D打印玩偶”的照片給維爾·貝克看的時候，他帶著一個工程師的嚴謹和認真微笑著說：“It’s different（它們是不同的）。”作為霍尼韋爾航空航天集團先進科技的首席工程師，維爾·貝克一直專注于3D打印技術在航空制造技術應用方面的研究。

事實上，當“3D打印”已經(jīng)成為一個熱詞，流行于人們日常生活的很多領域時，對于其在航空制造技術上的應用，業(yè)內人士卻始終慎之又慎。

它的技術門檻之高以及精密和復雜程度遠遠超過人們的想象。維爾·貝克告訴記者，目前霍尼韋爾航空航天集團通過3D打印技術制造的民機發(fā)動機零件并沒有真正投入現(xiàn)實生產，仍在測試階段。

根據(jù)業(yè)內媒體的報道，目前，也只有GE正嘗試將選擇性激光熔化技術（3D打印技術的一種）應用于其下一代Leap發(fā)動機供油噴嘴的批量化制造。

“但10年之后，3D打印技術或許會改變整個航空制造業(yè)。”維爾·貝克說。

3D打印滲入航空業(yè)

事實上，3D打印技術出現(xiàn)在20世紀90年代中期，實際上是利用光固化和紙層疊等技術的最新快速成型裝置。它與普通打印工作原理基本相同，打印機內裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。

這種技術在珠寶、鞋類、工業(yè)設計、建筑、工程和施工（AEC）、汽車，航空航天、牙科和醫(yī)療產業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、槍支以及其他領域都有所應用。對于航空航天領域來說，3D打印仍然是一項非常前沿的制造技術，近幾年，全球領先的航空制造企業(yè)開始逐漸涉足這一技術領域的研究。

維爾·貝克告訴記者，霍尼韋爾航空航天集團是從2010年進入該領域的，已經(jīng)擁有了4年的研究經(jīng)驗。目前，霍尼韋爾已經(jīng)成功地將利用3D打印技術生產出的單晶鑄件裝配在了其TFE731-60型發(fā)動機的渦輪葉片上，這款發(fā)動機在為達索旗下的獵鷹900公務機提供動力。

現(xiàn)在，與高校合作成為了制造商進行3D打印技術研究的共同模式?；裟犴f爾航空航天集團就與美國的4所大學簽署了秘密的合作協(xié)議。當然，包括波音、空客等民機整機制造商也都選擇了與大學進行合作，進行3D打印技術的研究。

“總體來說，目前航空業(yè)界都正在對3D打印技術直接制造的金屬零件，按照飛機和發(fā)動機的設計要求進行全面的測試和驗證，以及針對3D打印技術進行設計方的優(yōu)化。”西北工業(yè)大學凝固技術國家重點實驗室副主任林鑫告訴記者。

值得一提的是，中國也已參與到該技術的研究中來。今年3月14日，空客與林鑫所在的西北工業(yè)大學在西安簽署了合作協(xié)議，共同探索3D打印技術在航空領域的應用。該項目重點研究激光3D打印技術在飛機部件制造中一次打印成型、減少加工余量以及材料在成型過程中變形等難題。西北工業(yè)大學凝固技術國家重點實驗室將承擔樣件制造，空客將承擔樣件的測量和評估工作。

滿足航空制造技術未來需求

在霍尼韋爾航空航天集團組織的國際媒體日上，一些通過3D打印技術生產的發(fā)動機零件樣品被維爾·貝克帶到了展示現(xiàn)場，它們看上去并不起眼，很多甚至不足一枚硬幣的大小。

據(jù)了解，霍尼韋爾航空航天集團在3D打印技術領域的研究包括直接金屬激光燒結、電子束熔化成型、疊層實體制造技術等。

業(yè)內人士公認，3D打印技術在航空制造領域的諸多優(yōu)勢，尤其是在設計自主性和環(huán)保方面的優(yōu)勢，滿足了航空業(yè)可持續(xù)發(fā)展的最終目標。

據(jù)維爾·貝克介紹，這些技術可以幫助航空制造商減少工裝模具的使用，在生產少量樣件時，設計也可以更加靈活，這使得生產零部件的固定投入成本大幅下降。例如，用3D打印技術生產的燃燒室保護罩就可以降低40%的成本。

此外，通過該技術，還可以減輕零件的重量，這直接關系到飛機的燃油經(jīng)濟性。過去，對于大型復雜構件，制造商用傳統(tǒng)工藝無法完成，就拆為幾個件做，然后再進行組合。如今3D打印可以實現(xiàn)零部件一次成型，這不僅增加了零部件的強度，同時也減輕了零部件的重量。

維爾·貝克還告訴記者，這些好處綜合起來，可以讓研發(fā)過程更加高效。“過去通過傳統(tǒng)工藝研制渦輪葉片的樣件需要3年的時間，而如果采用了3D打印技術則僅需短短9周，與過去相比，為整個供應鏈節(jié)約了70%的時間”。

同時，空客也將3D打印技術作為飛機備件解決方案的一部分。記者從空客了解到，站在整機制造商的角度來看，3D打印技術是用來制造目前已經(jīng)停產，但是仍然有市場需求的飛機零部件的最具成本效益的理想技術。采用3D打印技術進行飛機零部件制造，將大大降低制造、維修以及運營的成本，并更好地保護環(huán)境。

確保技術成熟可靠

盡管技術門檻非常高，但是，如今3D打印在航空制造業(yè)的研究已經(jīng)開始由最初的實驗室階段逐步向實際使用階段過渡。“但量產時的一致性和穩(wěn)定性仍有待進一步提升。”林鑫說。

不久前，有報道稱GE航空與斯奈克瑪合作，采用選區(qū)激光熔化技術已經(jīng)開始生產發(fā)動機噴油嘴，并準備最晚在2016年開始全速生產，以每臺LEAP發(fā)動機需要10個~20個噴油嘴計算，GE每年將需要制造約25000個噴油嘴。林鑫告訴記者：“GE這個噴油嘴原來是采用十幾個零件整體焊接而成，采用3D打印技術后，GE發(fā)現(xiàn)生產周期顯著縮短，制造成本顯著降低，而且可靠性顯著提高。”

與競爭對手GE更為積極的態(tài)度相比，霍尼韋爾航空航天集團對該技術的實際應用則顯得異常審慎。目前，霍尼韋爾航空航天集團通過3D打印生產的零部件仍然只是用于適航取證的測試件，并未投入實際生產中。

維爾·貝克還告訴記者，事實上，在航空制造領域，短時間內，3D打印技術還無法完全替代傳統(tǒng)的制造工藝。3D打印用于大規(guī)模量產至少要在10年之后。“我們希望從風險最低的、小的零部件開始，逐步推進，并以最安全的方式進入到生產階段”。

空客也表達了相同的觀點，對于新技術的應用，他們提倡循序漸進地開發(fā)和使用，無論是原料、工藝還是系統(tǒng)方面，都要經(jīng)過嚴格的驗證，在被確認為是成熟的且具有長期利用價值后才會投入應用。

“其實，技術上已經(jīng)沒有問題了，但我們會更加謹慎，必須一遍又一遍地去測試，因為我們需要確保萬無一失。” 維爾·貝克說。

3D打印將為航空制造業(yè)帶來哪些變革？

隨著3D打印技術逐步向實際使用階段過渡，它將為航空創(chuàng)造業(yè)帶來哪些變革呢？

第一，加速新型航空航天器的研發(fā)。金屬3D打印高性能增材制造技術擺脫了模具制造這一顯著延長研發(fā)時間的關鍵技術環(huán)節(jié)，兼顧高精度、高性能、高柔性，可以快速制造結構十分復雜的金屬零件，為先進航空航天器的快速研發(fā)提供了有力的技術手段。

第二，顯著減輕結構重量。減輕結構重量是航空航天器最重要的技術需求，傳統(tǒng)制造技術已經(jīng)被發(fā)揮到接近極限，難以再有更大的作為。而金屬3D打印高性能增材制造技術則可以在獲得同樣性能或更高性能的前提下，通過最優(yōu)化的結構設計來顯著減輕金屬結構件的重量。

第三，顯著節(jié)約昂貴的戰(zhàn)略金屬材料。航空航天器由于對高性能的需求，需要大量使用鈦合金和鎳基超合金等昂貴的高性能、難加工的金屬材料。但很多零件的材料利用率非常低，一般低10%，有時甚至于僅為2％~5％。大量昂貴的金屬材料變成了難以再利用的廢屑，同時伴隨著極大的機械加工量。作為一種高性能近凈成型技術，金屬3D打印高性能增材制造技術可以把高性能金屬零件制造的材料利用率提高到60％~95%，甚至更高，同時也就顯著減少了機械加工量。

第四，制造一些過去無法實現(xiàn)的功能結構，包括：最合理的應力分布結構；通過最合理的復雜內流道結構實現(xiàn)最理想的溫度控制手段；通過合理的結構設計和材料分布實現(xiàn)振動頻率特征的調控，避免危險的共振效應；通過多材料任意復合實現(xiàn)一個零件的不同部位分別滿足不同的技術需求等。

第五，通過激光組合制造技術改造提升傳統(tǒng)制造技術，使鑄造、鍛造和機械加工等傳統(tǒng)制造技術手段更好地發(fā)揮作用。激光立體成型技術可以實現(xiàn)異質材料的高性能結合，從而可以在通過鑄造、鍛造和機械加工等傳統(tǒng)技術制造出來的零件上任意添加精細結構，并且使其具有與整體制造相當?shù)牧W性能。這就可以把增材制造技術成型復雜精細結構的優(yōu)勢與傳統(tǒng)制造技術高效率、低成本的優(yōu)勢結合起來，形成最佳的制造策略。