3D 打印技术：发展与在航空航天领域的深化应用

在科技日新月异的时代，3D 打印技术犹如一颗璀璨的新星，迅速崛起并深刻改变着多个行业的格局。从其诞生之初的小众技术，到如今广泛应用于众多领域，3D 打印技术正以惊人的速度发展，尤其是在航空航天领域，其应用持续深化，为该行业带来了前所未有的变革。

3D 打印技术的发展状况

3D 打印技术，又被称为增材制造技术，其起源可以追溯到 20 世纪 80 年代。1981 年，日本发明家儿玉秀雄为 “快速成型设备” 申请了第一项专利，尽管该概念起初遭遇挫折，但为后续创新埋下了种子。1984 年，查尔斯・霍尔申请了光固化成型系统(SLA)的专利，这一技术至今仍被广泛应用。1988 年，基于 SLA 技术的第一台商用 3D 打印机问世，标志着 3D 打印技术开始走向商业化应用。此后，3D 打印技术不断演进，涌现出多种不同的打印技术和材料。

近年来，3D 打印技术发展迅猛，市场规模持续扩张。全球增材制造产值(产品和服务)从 2015 年的 51.65 亿美元增长到 2023 年的约 200 亿美元，2015 - 2023 年期间的年复合增长率(CAGR)约为 18.46%。这一增长趋势得益于技术的不断创新、成本的逐渐降低以及应用领域的不断拓展。在技术创新方面，新型打印材料不断涌现，打印精度和速度大幅提升。例如，金属 3D 打印技术从最初只能打印简单的金属结构，发展到如今能够打印出复杂且高性能的金属零部件，像航空航天领域常用的钛合金、镍基高温合金等材料都能通过 3D 打印精确成型。

从产业链来看，3D 打印已形成了完整且清晰的体系。产业链上游主要包括原材料供应商以及核心软硬件研发企业。材料作为决定 3D 打印产品质量、性能与价格的关键因素，涵盖了金属粉末、塑料、陶瓷等多种类型。然而，目前部分关键材料，如高精度金属粉末、一些特殊性能的聚合物材料等，仍高度依赖进口，这不仅导致采购成本居高不下，还使中游厂商的生产能力和盈利水平受到进口限制与价格波动的影响。不过，国内已有不少企业积极布局 3D 打印粉材研发生产，如铂力特、中航迈特等，在金属材料领域取得了一定进展，有望突破国外的技术封锁。中游则是以工业级 3D 打印设备及服务为主流。各类 3D 打印设备不断更新换代，从传统的桌面级打印机逐渐向大型、高精度、多功能的工业级设备发展。同时，与之配套的打印服务也日益完善，包括模型设计、打印加工、后处理等一站式服务，为下游应用企业提供了便利。下游应用领域极为广泛，涵盖了航空航天、医疗保健、汽车、建筑等多个行业，其中航空航天领域成为 3D 打印技术应用深化的典型代表。

3D 打印技术在航空航天领域的应用持续深化

航空航天领域对零部件的性能、质量和轻量化要求极高，而 3D 打印技术恰好能够满足这些需求，因此在该领域得到了广泛且深入的应用。

在零部件制造方面，3D 打印技术展现出了独特的优势。航空发动机作为飞机的核心部件，其制造工艺复杂且要求严苛。传统制造方法在生产一些具有复杂内部结构的发动机零部件时，往往面临诸多困难，如成本高、加工周期长、材料浪费严重等。而 3D 打印技术可以直接根据设计模型，通过层层堆积材料的方式，精确制造出具有复杂内部冷却通道、轻量化结构的发动机零部件。例如，GE 航空集团利用 3D 打印技术制造的燃油喷嘴，将原本由多个零件组装而成的部件整合为一个整体，不仅减少了零件数量，降低了重量，还提高了燃油喷射的效率和发动机的性能。据统计，通过 3D 打印技术制造的燃油喷嘴，重量减轻了约 25%，耐用性提高了 5 倍。

卫星制造领域同样受益于 3D 打印技术。卫星上的许多零部件需要具备轻量化、高强度的特点，以降低发射成本并提高卫星的性能。3D 打印技术能够根据卫星的具体需求，定制化生产各种复杂形状的零部件，如卫星的支架、天线等。这些通过 3D 打印制造的零部件，在满足强度要求的同时，有效减轻了卫星的重量。以我国的实践为例，中国航天科技集团公司上海航天技术研究院成功研制的航天 3D 打印机，采用双激光器(长波光纤激光器和短波二氧化碳激光器)，可打印不锈钢、钛合金、镍基高温合金等材料，已成功打印出卫星星载设备的光学镜片支架等构件。这些构件采用传统加工技术不仅造价昂贵、废品率高，甚至难以加工生产，而 3D 打印技术则轻松解决了这些难题。

在航空航天领域的维修保障方面，3D 打印技术也发挥着重要作用。在飞行器执行任务过程中，零部件损坏是难以避免的问题。传统的维修方式需要提前储备大量的备用零部件，这不仅占用大量资金和仓储空间，而且在一些紧急情况下，可能因缺乏合适的零部件而导致维修延误。3D 打印技术的出现改变了这一局面。现在，只需携带一台 3D 打印机和相应的打印材料，在现场就可以根据损坏零部件的三维模型，快速打印出所需的替代品，大大缩短了维修时间，提高了飞行器的可用性。例如，在偏远地区执行任务的无人机，一旦某个零部件损坏，通过 3D 打印技术可以迅速打印出替换部件，使其能够继续执行任务，避免了因等待零部件运输而造成的任务中断。

随着 3D 打印技术在航空航天领域的应用持续深化，未来其发展前景更加广阔。一方面，技术的不断创新将进一步提升 3D 打印零部件的性能和质量，使其能够满足航空航天领域日益严苛的要求。例如，开发更高性能的打印材料，提高打印精度和表面质量，实现更大尺寸零部件的打印等。另一方面，随着应用经验的积累和产业链的不断完善，3D 打印技术在航空航天领域的成本将逐渐降低，从而推动其更广泛的应用。可以预见，在未来的航空航天产业发展中，3D 打印技术将继续发挥关键作用，助力该行业迈向更高的发展阶段，为人类探索宇宙和实现更高效的航空运输提供强大的技术支撑。