3D打印在三大工业中的应用

3D打印在制造业、航空航天和汽车工业中的概述

林俊伟 乔尔·林，金贵黎，卢青阳，和王志豪

增材制造

增材制造（AM），也称为三维 （3D）打印，是通过逐层叠加的方式， 利用三维模型数据将材料结合以制造物 体的过程。与传统制造技术不同，零件 通过逐层添加材料的方式构建，每一层 均对应切片三维模型的横截面。由于增 材制造的层状制造特性，无需使用夹具 和切削工具。此外，计算机辅助设计 （CAD）工具实现了按需设计优化，能 够便捷地生产可定制的零件。

为了探讨增材制造的影响，我们首 先概述增材制造工艺，然后分析其在制 造、航空航天和汽车行业中的贡献及潜 在挑战。

增材制造（AM）在最近发表的文章中 被称为“第三次工业革命”，是一种通 过逐层堆积材料来制造三维物体的制造 过程。应用包括房屋的构建、复杂的机械工程部件、 医疗植入物甚至食品。

通常，如图1所示，3D打印物体可 以通过增材制造过程中的八个步骤来创 建。首先，用户使用计算机辅助设计软 件创建三维模型，然后将其转换为STL 文件格式文件。用户将参数和STL文件 格式文件输入增材制造系统，随后生成 数字样机的切片，并转换为构建序列。 接着，机器按照逐层堆积的方式构建零 件。完成后，用户将从基板并执行作为功能产品或原型使用所 需的后处理。最重要的是，为了便于组 装并实现其用途，这些打印部件必须满 足三个F要求——形态、配合和功能。

增材制造在工程领域的应用

金属增材制造主要基于粉末，更常用于 制造、航空航天和汽车工业。具体而言， 直接金属激光烧结（DMLS）、电子束 熔化（EBM）和选择性激光熔化（SLM）属于粉末床熔融（PBF）技术。

另一类使用粉末材料的技术是定向能量 沉积（DED），包括直接金属沉积（DMD）和激光金属沉积（LMD）。

PBF工艺涉及在构建区域上先沉积 材料，然后通过能量源（激光或电子束） 加热切片三维模型的横截面区域，而 DED工艺则通过喷嘴同时将材料和能量 沉积到目标区域。这些工艺在惰性气体 环境或保护气体下完全熔化粉末颗粒， 能够制造出高相对密度的零件（≥99.5%）。 此外，制造过程中的快速冷却会产生具 有精细微观结构的零件，从而改善其力 学性能。

大多数研究集中于金属合金，因其 具有优异的力学性能。然而，通过不同 增材制造工艺生产的这些零件的力学性 能存在差异。例如，表1对比了通过各种 增材制造工艺生产的Ti‐6Al‐4V零件的报 道抗拉强度。从该表可知，所制造零件 的抗拉强度通常介于900兆帕至1,400兆 帕之间。

此外，在这些工艺中，SLM和 LMD制造的零件具有较高的抗拉强度 （≈1,250兆帕），而EBM制造的零件 抗拉强度最低（946兆帕）。接下来， DMD（1,105兆帕）和LMD（1,100兆 帕）报告的屈服强度表明，零件开始发 生塑性变形时的应力相当接近。同样， EBM和DMLS制造的零件屈服强度较低， 约为800兆帕。然而，值得注意的是， 还有其他多种因素会影响这些性能，包 括粉末特性、能量源类型及参数设置以 及成形环境。

表1. Ti‐6Al‐4V零件的拉伸性能 通过各种增材制造工艺生产
机械性能
抗拉强度 (兆帕)
屈服强度 (兆帕)

增材制造在制造业中的应用

增材制造（AM）作为一种使能技术， 对制造业产生了重大影响。它改变了设 计概念，为用户创造了更有趣、更复杂 的零件提供了更大的空间。零件可以作 为整体件进行制造，而无需像传统方法 那样由多个部件装配而成。例如，在汽 车工业中，传统上在装配线上生产的汽 车现在可以在一台机器内完成制造。3D打印汽车可以将多个部件作为整体件一体成型，而不是像当今制造的汽车那样由多个部件组成。

作为一种减材工艺，通过计算机数 控（CNC）加工具有内腔的零部件是一 项艰巨的任务。相比之下，由于增材制 造的增材特性，这并非问题。这种制造 方法使得航空航天部件内部冷却通道的 整体结构制造成为可能，无需使用紧固 件。此外，减少机械连接的零部件数量 将降低检测需求，从而提高工作流程效 率。

增材制造还能防止材料过度浪费。 在传统制造方法中，需要从原材料上逐 步去除材料以获得所需的特征。这一过 程会导致任何多余材料的浪费。这些多 余的材料通常以切屑的形式存在，必须 进行回收或丢弃，从而产生额外成本。 增材制造中材料浪费大幅减少，因为不 存在与材料去除相关的问题。像直接金 属激光烧结这样的工艺可能完全不会产 生废料，除非需要支撑结构。

注塑成型是另一种需要型腔和型芯 的传统制造方法。注塑成型的缺点在于 难以制造出侧凹和盲孔。相比之下，增 材制造能够轻松构建复杂零件，无需通 过模具来实现特定的期望形状。

最近，E. 阿岑尼和 A. 萨尔米进行 了一项研究，比较了高压压铸和选择性 激光烧结所生产零件的成本。结果表明， 采用高压压铸的每个装配体总成本为 €21.29 + 21,000/N，其中 N 为零件数量。 例如，10 个零件的每个装配体成本为 €2121.29，而制造 100 个零件的成本为 €231.29。相比之下，采用选择性激光烧 结时，无论生产批量大小，每个装配体 的总成本均为 €526.31。因此，该研究 表明，对于中小批量生产，增材制造更 具优势。

增材制造在制造业中的潜在挑战

尽管增材制造为制造业提供了诸多优势， 但仍存在一些持续的挑战，阻碍了其广 泛应用。其中一个挑战是通过设计实现 零件所需的强度优化。另一个挑战在于理解增材制造零 件的微观结构和力学性能。这种理解至 关重要，以确保增材制造零件的力学性 能（如密度、抗拉强度和硬度）能够满 足应用要求。

航空航天工业中的增材制造

增材制造对航空航天工业具有重大影响， 因为它在设计、材料和制造方法方面提 供了诸多机遇。通过增材制造，可以在 短时间内制造出近净成形功能部件，提 高可靠性并降低成本。此外，由于增材 制造能够构建晶格结构部件，因此可以 减轻飞机重量，提升燃油效率。

随着无人机（UAV）越来越多地取 代载人飞机，人们对低成本生产原型和 小批量产品的需求日益增加。在空间应 用领域，工程师可以设计出更复杂的火 箭推进系统，以承载更高的有效载荷， 甚至可在太空打印部件，用于未来的任 务。

增材制造在商用飞机中的优势

增材制造适用于打印很少更换的部件， 这些部件具有较高的采购与飞行比，并 可用于生产已停产的零件。这将节省生 产这些零件的时间和成本，尤其是那些 通过模压或铸造生产的零件。与传统加 工中约90%的块状材料被浪费相比，增 材制造还能减少材料浪费。例如，一项 关于3D打印技术在航空航天应用中的关 键分析研究表明，每生产1千克钛部件， 总共会浪费10千克钛材料，这些材料必 须回收后才能进一步使用。

空中客车公司是一家飞机制造商， 它认识到增材制造将对其生产线产生变 革性影响。通过增材制造，它能够制造的飞机零部件重量减轻30%至55%， 同时节省近90%的材料。空中客车公司 新兴技术与概念总监彼得·桑德斯指出， 该技术可将能源消耗减少多达90%。

此外，非结构性、非关键性且已停 产的部件可以按需生产，成本最低。例 如，空中客车公司最近为加拿大越洋航 空A310打印了一个小型塑料机组座椅面 板，因为该部件已不再生产。空中客车 公司还估计，从长期来看，通过使用增 材制造可实现10%至30%的成本节约。

如前所述，增材制造能够轻松生产 复杂零件。与传统方法相比，可降低制 造成本，从而实现可改善飞机空气动力 学性能的新设计。增材制造还减少了多 个部件的连接需求。无需使用多个组件 并通过螺栓和螺母紧固来形成装配体， 增材制造可将整个装配体制造为整体件， 从而提高可靠性并减少检测需求。

一个很好的例子是通用电气（GE） 生产的T25传感器外壳。该传感器用于 测量、记录并向飞机发动机控制系统提 供压力和温度数据。此外，该外壳是首 个获得美国联邦航空管理局（FAA）认 证、可用于商用GE Leap喷气发动机的 3D打印部件。美国联邦航空管理局（FAA）对这一3D打印部件的批准，已成 为增材制造在航空航天工业应用中的一 个里程碑。此外，通用电气（GE）将在 印第安纳州开设一座新的装配厂，用于 制造和组装采用3D打印部件的新一代发 动机。

增材制造的航空航天材料关注

在航空航天工业中，大多数飞机利用钛 合金的高强度与低重量特性。这些合金 用于飞机内部的结构零部件，以在运行 期间承受高应力条件。因此，针对增材制造生产的Ti‐6Al‐4V零部件的 研究正受到广泛关注。由于这些机械结 构在飞机上并未大批量生产，需要更换 时可能难以及时获得备件库存。增材制 造可确保这些零部件在飞机维修时实现 准时生产，便捷地进行按需制造。

一家专注于研究和改进这些机械结 构设计的公司是洛克希德·马丁公司，这 是一家航空航天与全球安全公司，从事 航空航天领域先进技术的研究、设计、 开发、制造、集成和维护。该公司试验 了3D打印技术，并成功优化了结构设计， 从而减少了重量、材料、浪费以及燃料 消耗。

增材制造在空间应用中的应用

美国国家航空航天局（NASA）最近对 一个3D打印的马歇尔发动机推进喷射板 进行了测试。由于其设计极为复杂，传 统加工方法无法制造该部件。然而，增 材制造能够使用可承受极端太空飞行条 件的航空航天级合金来生产该部件。由 于这些推进系统需要特殊的流道配置以 实现最佳性能，增材制造能够制造出具 有独特内部流道配置的零件，而这是传 统方法无法实现的。

美国国家航空航天局（NASA）还 开发了用于国际空间站的增材制造系统。 当某个工具损坏时，可以立即制造出替 换件，而无需等待从地球补给，从而节 省了时间和成本。此外，NASA在航天 项目中使用的某些工具是特定任务专用 的。使用传统方法生产这些工具将耗费 高昂的成本并耗时较长。然而，通过增 材制造技术，这些工具可以按需制造， 确保任务能够及时完成。

增材制造在无人机（UAV）中的应用

增材制造在无人机领域的应用最初是为 军事目的开发的，通常作为原型制造，之后小批量生产用于部 署。原型通常需要经过无数次测试和修 改，以改进设计。因此，许多公司采用 增材制造技术制造无人机，以缩短生产 时间。无人机在业余爱好者行业中也日 益流行。越来越多的业余爱好者自行制 造无人机，并选择增材制造作为制造方 法，以更低的成本获得他们的原型。

无人机（UAV），如四旋翼飞行器， 通常将螺旋桨置于机体外部。这种设计 增加了螺旋桨损坏的风险。为了缓解这 一设计缺陷，可以利用增材制造技术在 无人机内部制造螺旋桨，从而延长无人 机的使用寿命。此外，增材制造还能减 轻无人机所需部件的重量。现在可以将 部件打印成一个中空的整体，或带有内 部晶格结构，使其具备轻量化和高强度 的特性，从而提供更长的飞行时间和更 高的有效载荷。

增材制造在航空航天领域的潜在挑战

由于部件在民用领域应用之前需要进行 认证和资格鉴定，增材制造在航空航天 领域的开发进展一直较为缓慢。尽管增 材制造可为航空航天工业带来诸多优势， 但其应用所伴随的风险必须加以缓解。 有许多变量需要考虑，且与传统制造不 同，目前对增材制造工艺及其对合金影 响的认识和理解尚显不足，这引发了人 们的担忧。

由于飞机所处的严酷环境，人们关 注的一个领域是增材制造合金的疲劳和 老化问题。目前在飞机上使用的零部件 已经过广泛的测试和认证，以确保达到 一定的可靠水平。相比之下，由于关于 增材制造零件性能的信息不足，特别是 其失效模式方面的信息不足，它们不适用于作为飞机中的承重结构。 目前，航空航天工业中大多数增材制造 打印的部件通常仅限于非结构性和非关 键性用途。

汽车行业中中的增材制造

在汽车行业，增材制造使得更轻、更安 全、更环保的汽车得以实现，同时缩短 了生产周期并降低了成本。增材制造还 被用于复制难以找到的零部件。

汽车设计的主要目标是在确保安全 的前提下最大限度地减轻车辆重量。通 过采用增材制造技术，可以实现零件中 复杂的横截面结构（如蜂窝结构或空腔） 的生产。

汽车行业的影响

增材制造在提升汽车制造商竞争力方面 发挥了重要作用。与常常限制设计的传 统制造过程相比，增材制造能够生产具 有更高设计自由度的零件。这种灵活性 在定制功能的生产中具有显著优势，有 助于增加增强的功能性。例如，通过使 用中空结构和晶格结构，可分别实现电 气线路集成和减轻重量。此外，新型增 材制造技术使得生产具有独立性能（包 括导电性和可变强度）的多材料打印部 件成为可能。所有这些增材制造工艺都 在未来更轻、更快、更安全和更高效汽 车的制造中发挥了关键作用。

此外，增材制造是推动供应链转型 的重要驱动力。目前，原始设备制造商 （OEMs）必须与数千家供应商合作， 以获取汽车所需的各类零部件，这往往 导致较长的交货周期。由于供应链管理 是一项耗时且成本高昂的复杂规划和物 流工作，OEMs正面临挑战。不断寻求压缩其供应链的方法。增材制 造（AM）具有降低中间过程和最终可 用零部件运输与分销成本的潜力，因为 这些零部件可以按需生产，从而减少整 体交付周期并缩短汽车供应链。

凭借增材制造的各种优势，企业能 够在供应链中推动重大变革。这些变革 包括降低成本和简化供应链。此外，产 品创新与供应链转型的结合将影响汽车 企业的商业模式调整。

汽车领域的应用

目前，采用增材制造技术生产的冷却通 风口和仪表板已在部分车辆中得到应用。 随着增材制造工艺和材料技术的持续改 进，基于增材制造的零部件有望在不久 的将来广泛应用于汽车领域。未来的应 用可能包括发动机部件和悬架弹簧。

增材制造还被用作电动汽车制造的 主要生产技术。例如，一支美国工程师 团队制造了URBEE‐2，其中大约包含 50个增材制造零部件。

汽车行业增材制造的潜在挑战

尽管增材制造带来了显著的优势，但仍 需考虑若干挑战。增材制造生产的汽车 零部件进行小批量生产并不经济，因为 盈利能力依赖产量。2013年全球制造了 约8600万辆汽车。由于产量巨大，增材 制造的低生产速度阻碍了其进入直接零 部件制造市场。因此，对高速增材制造 的研究至关重要。

大型基于增材制造的零部件的生产 已被证明具有挑战性。通过增材制造工 艺生产的车身面板等部件仍然需要通过 传统方法（如机械连接）进行连接。低成本增材制造工艺在制造大型金属部 件方面的能力已得到探索，并取得了显 著进展。

结论

增材制造是一种通过逐层堆积材料来制 造三维物体的制造过程。因此，根据切 片三维模型所定义的区域进行材料熔合 或沉积，可避免材料浪费。此外，这种 逐层制造过程能够实现复杂零件（如晶 格结构）的制造。由于增材制造具有这 些优势，已有大量研究致力于开发适用 于制造业、航天和汽车工业等不同应用 领域的增材制造零部件。在这些行业中， 金属增材制造工艺（如粉末床熔融和定 向能量沉积）更为常用。

在制造业中，增材制造使得设计者 能够创造出通过传统方法（如数控加工 或注塑成型）曾被认为不切实际的零件。 例如，由于数控加工是一种减材工艺， 无法制造具有内部空腔的零件，因此需 要通过装配步骤来获得所需零件。同样， 使用注塑成型制造带有凹槽和盲孔的零 件也非常困难。相比之下，这些零件可 以通过增材制造轻松实现。此外，数控 加工被视为多阶段制造过程，而增材制 造机器支持在单阶段中构建多个零件。 因此，这种制造灵活性也惠及了航空航 天和汽车工业。

增材制造为航空航天工业——民用、 航天、无人机（UAV）以及新材料开发 领域带来了诸多机遇。它能够轻松生产 复杂零件，实现准时生产，满足该行业 的需求。设计师还将能够实施改进飞机 空气动力学的设计，从而提高燃油效率。 如果增材制造的挑战能够在航空航天工业中得到克服，那么 增材制造生产的零部件将获得更高的采 用率。

在汽车行业，增材制造技术通过推 动产品创新和供应链转型，提升了汽车 制造商之间的竞争力。因此，汽车中使 用增材制造零部件的趋势呈现上升趋势。 然而，小批量生产以及大型增材制造部 件的制造仍是阻碍增材制造技术在汽车 行业应用的一些挑战。