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3D打印有望在航空航天领域实现大规模应用

2022-02-14

航空航天的低价格敏感度与 3D 打印的独有制造优势相辅相成。一方面,航空航天领域特别注重产品的性能,尤其是军用领域很多时候为了获得更高的性能 不计成本,较低的价格敏感度为 3D 打印在航空航天的大规模应用打开了空间。 另一方面,“轻量化”、“高强度”以及“复杂零件集成化”一直是航空航天零部件 制造和研发的主要目标,3D 打印技术的出现使得传统制造工艺无法实现的结构成 为了可能,反过来促进了航空航天行业的发展。我们认为,航空航天与 3D 打印行业再未来将拥有更佳多样化的发展方向。

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航空企业由于其产品的特殊性,其设备制造材料、工时消耗都需要花费巨大成本,而3D打印技术可以有效的降低高耗材料,提高设计效率,减少零件使用,提升结构整体化,而航空航天行业普遍存在追求高性能,对价格敏感度不强,可以比其他制造行业更早的实现广泛的3d打印生产作业。

3D 打印在航空航天领域的优势主要体现在以下几个方面: 

1)能够实现复杂的结构设计并减重。相对于传统制造方法,3D 打印在生产 复杂精细结构方面具有独特优势,比如复杂的几何结构及内部通道,结合 结构拓扑优化技术,能够显著减轻零件重量。而对于航空航天来说,减重 是永恒的主题。根据公司招股书,粗略统计,飞机重量减少一磅,平均每 年可以节省 1.1 万加仑燃油,美国 GE 公司预计 3D 打印零件未来可占航 空发动机零部件的 50%,使其研发的大型航空发动机每台至少减重 454kg。 3D 打印在一定程度上解除了制造工艺对结构设计的约束,大幅提升了航 空航天行业的设计和想象力,因此越来越多的部件设计开始建立在通过 3D 打印制造的前提下。

2)降低原材料成本。航空航天行业大多使用价格昂贵的战略材料,比如钛合 金、镍基高温合金等,而大型航空钛合金零件的材料利用率非常低,某些 部件在锻造、机加工的过程中去除的材料超过 80%,而 3D 打印相比传统 减材制造几乎没有材料浪费,大幅降低了原材料成本。

3)减少零件数量并提高零件性能。航空航天的零部件一般都较为复杂,部件 通常需要由更细小的零件焊接组装而成,零件与零件之间的配合、传导在 一定程度上影响了部件的整体性能,而 3D 打印技术能够对复杂部件一体 成型,显著提升了部件的性能。以 GE 为 LEAP 发动机设计的 3D 打印燃 油喷嘴为例,整套喷嘴可以一次成形,无需后续焊接,零部件数量从 20 个降为 3 个,重量减少 25%,成本降低 30%,使用寿命延长了 5 倍,自 2015 年通过 FAA 联邦认证以来该型喷嘴已积累生产超过 6 万个。 

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4)显著缩短新装备的研发周期。航空航天技术关系国家安全,世界各国之间 竞争激烈,各国都试图更快地研发出新的装备。金属 3D 打印技术让高性 能金属零部件,尤其是高性能大结构件的制造流程大为缩短,无需研发零 件制造过程中使用的模具,大幅缩短了产品研发制造周期。例如 3D 打印 技术使得 NASA RS-25 的发动机挡板生产时间从 9 个月降至 9 天,GE 航 空对 GE9X 航空发动机燃烧系统的设计时间缩短至几个月,而通过传统 制造方法整个设计流程将耗费 18 个月。 近年来,3D 打印在航空航天领域中的应用愈加广泛,市场进入迸发前夜。 2016 年,空客公司搭载有增材制造部件的 A350 客机完成了为期两年的测试,展 现了增材制造在航空工业上的技术可行性和未来潜力;2017 年,波音公司在 787  Dreamliner 客机上使用 3D 打印钛合金部件,预计可将每架 787 客机的制造成本 节省 200~300 万美元;截至目前,GE 已顺利生产了超过 6 万个 3D 打印燃油喷 嘴,而 GE9X 作为目前世界上最先进的商用发动机之一,整体使用了 304 个 3D 打印零部件,涵盖燃油喷嘴、热交换器、导流器、叶片等七大类部件,为其他发动 机厂商的新型号研制提供了指引;在航天领域,SpaceX 早在 2013 年就通过 3D 打印制造了 SuperDraco 飞船火箭发动机的引擎室,实现了传统工艺难以制造的 复杂冷却通道、喷油头和节流系统;此外,SpaceX 的猎鹰 9 号火箭能够在短短几 年间成熟离不开 3D 打印在设计迭代过程中的帮助,猎鹰 9 号上使用了包括关键 的氧化剂阀体等在内的大量 3D 打印零件。 我国作为航空航天领域的追赶者,也将在很大程度上参考国外大规模使用 3D 打印技术的经验。此外,由于航空航天行业的敏感性,国外领先的 3D 打印企业如 GE 增材、EOS 等与铂力特等国内 3D 打印企业很少出现直接竞争,同时国外厂 商的服务能力较弱,无法及时响应国内客户的需求,因此具有本土化服务、响应 迅速优势的国产 3D 打印厂商有望更多的获得客户的青睐,竞争格局优越。

就目前而言从空客A350客机到猎鹰9号再到GE9X商用发动机,3D打印机在商用级、军用级、航天级等航空航天领域中有着深远的发展空间,并且已经有数量可观的航天设备零件使用3D打印机作为生产验证的主要方式,就目前而言2020年度全球航空航天市场规模占据整个3D打印行业30%以上的利润,而在未来也拥有着十分可观的上升可能性。


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