全球航空市场持续增长的预期，为航空制造业带来了新一轮的发展机遇与挑战。增材制造（3D打印）作为一项革命性的绿色数字化技术，凭借其在快速迭代、减重降本、一体化成形等方面的显著优势，正成为推动商业飞机设计与维修变革的关键力量。然而，其产业化道路仍面临适航认证、质量一致性等核心挑战。
当前，在政策与技术的双重驱动下，产业链日趋成熟，我们正见证增材制造向大型化、拓扑化、功能一体化的深度应用迈进，其与航空产业的融合前景无比广阔。
近日，中国增材制造产业联盟发文综述了其应用现状，剖析了适航符合性要求，并展望了未来航向。
“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析
”
国内权威机构预测，未来20年全球航空旅客的周转量年均增长率为3.8% ，我国航空旅客周转量将以平均每年5.4% 的速度增长。未来全球客机数量将持续增加，全球货机数量增长态势良好。
— 商业航空增材制造技术应用现状 —
由于商用飞机适航审定的严格要求，增材制造在民机领域的应用相较于军机领域面临更大的挑战。 目前增材制造技术在民机领域的主要应用集中在发动机和机体结构。
2015 年，GE公司采用激光选区熔化技术制造高压压气机T25温度传感器外壳并通过适航审定，成为首个通过美国联邦航空管理局（FederalAviationAdministration，FAA）认证的增材制造发动机零件，应用于GE90-40B发动机。2016年，GE公司生产了航空发动机燃油喷嘴并通过FAA认证，应用于LeapX航空发动机，将原来的20余个零件一体化成形，使发动机喷油嘴的设计制造理念发展变革，极大缩短了零件生产周期，生产成本降低了50%，同时耐用性提高5倍。
GE公司制造了发动机电动开门系统（PowerDoorOpeningSystem，PDOS）支架，与传统减材制造方法相比材料利用率提高90%，零件减重10%，该零件于2018年通过FAA认证，应用于GEnx-2B发动机。上述GE公司增材制造零件如图1.21所示。
图1.21 （a）T25温度传感器 （b）燃油喷嘴 （c）PDOS支架
2013 年，空客与Stratasys合作开发了聚合物增材制造零件，在每架A350XWB中使用超过500件零件，包括机载系统的导管、线箍、封罩等。2015年，Airbus公司通过激光选区熔化技术实现了用于A320客舱和厨房之间的隔板零件的仿生设计与制造，如图1.22所示，使用的材料是APWORKS开发的Scalmalloy新型高强铝合金，零件减重45%。2017年，空客A350XWB安装了用激光选区熔化技术制造的Ti6Al4V钛合金拓扑优化飞机连接架，如图1.23所示，相比于传统加工方式零件减重约30%，这是钛合金增材制造第一次在民机型号上实现装机应用。2022年，PremiumAerotec公司通过激光选区熔化技术为空客A320制造了钛合金制动管，与传统工艺相比零件减重50%以上。
2022年，汉莎航空技术公司与PremiumAerotec公司合作完成了用于IAE-V2500发动机防结冰系统的“A-Link”钛合金激光选区熔化增材制造零件，并获得欧洲航空安全局（EuropeanUnionAviationSafetyAgency，EASA）的认证，这是增材制造承重备件首次获得EASA认证，如图c所示。“A-Link”零件在发动机的进气口罩内连接形成环形热空气管道，防止在飞行过程中结冰，运行过程中发生的振动会导致组件在其安装孔处磨损，可根据需要进行更换。
图1.22 空客A320仿生舱隔板 图1.23 空客A350 XWB的钛合金连接架
2017 年，波音通过Norsk Titanium 的等离子体快速沉积（Rapid Plasma Deposition ，RPD）技术制造了钛合金结构件厨房支架并获得FAA 认证，应用于波音 787 飞机，如图 1.25 所示。
图1.24 “A-Link” 钛合金零件 图1.25 空客A350 波音787的厨房支
国内大型客机主制造商中国商飞公司不断推进增材制造技术在民用飞机型号上的应用，并联合华东适航审定中心、飞而康公司等单位于2022年实现了钛合金激光选区熔化零件在大型客机上的装机应用，初步探索出民机增材制造适航认证的技术路径。
同年，北京民用飞机技术研究中心、上海飞机制造有限公司联合西安铂力特增材技术股份有限公司采用 BLT-S600型激光选区熔化成形装备（最大可成形尺寸为600mm×600mm×600mm），实现登机门铰链臂优化设计及增材方案装机验证。优化后的零件设计重量为6.4kg，较原设计构型减重约30%，全生命周期制造成本降低了30% 以上，如图1.26所示。
2023年，北京民用飞机技术研究中心联合中航迈特增材科技（北京）有限公司，以飞机旋翼支架为研究对象，选择国产低成本AlMgErZr高强铝合金材料，通过开展结构优化设计、利用MT280型激光选区熔化成形装备（最大可成形尺寸为250mm×250mm×300mm）进行零件试制，实现了国产低成本高强铝合金在新能源小型民用飞机的应用，旋翼支架传统机加构型优化后减重52%，如图1.27所示。大型激光选区熔化（SelectiveLaserMelting，SLM）装备的发展为结构更复杂的大型整体金属构件的成形开辟了新途径，基于SLM成形的钛合金风扇叶片包边长度可达1200mm，具有复杂的空间曲面结构，且成形尺 寸精度较高；基于SLM成形的镍基高温合金发动机机匣尺寸达到了Ф576mm×200mm，为发动机关键零部件的设计、制造及应用验证提供了重要的技术支撑。西北工业大学黄卫东、林鑫教授团队面向我国C919中型客机的需求，利用激光能量沉积技术制造了TC4合金体系C919飞机翼肋缘条，如图1.28所示，其长度为3100mm，探伤和力学性能测试结果皆符合我国商飞的设计要求。
（a）SLM高强铝合金舱门铰链臂（b）SLM高强铝合金旋翼支架（c）LMD成形C919钛合金翼肋缘条
— 商业航空增材制造适航符合性要求 —
适航性（Airworthiness）是用来描述民用航空器“适于（在空中）飞行 ”品质属性的专用词。民用航空器的适航性指航空器（包括其部件和子系统的整体性能和操纵特性）在预期的服役使用环境中和使用限制下，飞行的安全性和物理完整性的一种品质。
适航性是确保公众利益的需要，也是航空工业发展的需要。适航标准是保证民用航空器适航性的最低安全标准。民用飞机的设计制造必须符合相关型号采用的适航标准（适航审定基础）中每一项条款的要求。通过适航审查并获得适航当局颁发的型号合格证是许可民用飞机设计用于生产的前提之一。
我国大型民机的研制需符合适航标准CCAR第25部的要求，对于增材制造这类新材料新工艺的应用，中国民用航空局审定机构（简称“局方”）重点关注如下3个条款。
①“材料 ”—CCAR 25.603 条款。
已经制定了针对增材制造技术的专用材料规范，这些规范是建立在经验和测试基础上的。材料的适用性和耐久性应已充分考虑服役过程中预期的环境条件。
②“制造方法 ”—CCAR 25.605 条款。
所用制造工艺根据批准的工艺规范进行鉴定。通过鉴定测试程序和这些规范中定义的检查程序确保所有零部件生产过程控制的一致性。
③“材料设计值 ”—CCAR 25.613 条款。
材料的强度性能必须以足够的材料试验为依据，材料应符合经批准的材料规范要求，在试验统计的基础上设定设计值。考虑到数据是从不同设备、粉末和材料方向获得，设计值需根据试验数据的统计处理得出。经批准的材料设计值可用于增材制造零部件静力、疲劳和损伤容限的评估。同时还需与采用传统工艺的相同材料数据进行比较。
除上述3个基础条款，根据零件的应用位置和特点，还需对零件进行相应的检测、结构/功能验证。飞机零件适航认证的要求与零件的关键（重要）程度有关，零件的关键程度可基于零件失效后果的级别确定。零件失效后果级别分为以下3个。
①轻度：失效不会显著降低飞机安全或影响机组人员的工作。轻微的故障情况可能包括飞机安全裕度或功能的轻微降低、机组工作量的轻微增加、常规飞行计划的改变或给乘客造成的一些不便等。主要涉及内饰件。
② 严重：失效可能对安全产生不利影响。如飞机安全裕度或功能显著降低、机组人员工作量显著增加，同时效率降低或乘客感到不适。在更严重的情况下，机组人员可能无法准确执行飞行任务，对乘客造成不利影响。主要涉及功能件和次承力结构件。
③ 灾难性：一旦失效就无法继续安全飞行和着陆。主要为飞机主承力结构件，包括所有易受疲劳裂纹影响的结构。将全新的材料和工艺应用于民机，对适航审定而言必将是一个漫长而谨慎的过程。
增材制造技术在民机领域应用的早期，飞机和发动机主制造商都采取了非常谨慎的态度，优先选择关键程度低和设计余量较大的零部件，如装饰件和功能件，这样可显著降低增材制造技术最初应用时发生故障、影响飞机安全性的可能性。随着增材制造技术不断发展和成熟，减少零件数量、减轻零部件重量、缩短制造周期等优势逐渐显现，主制造商会逐步提高增材制造零件的复杂程度和关键性。
知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络， 为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注 发布的白皮书系列。
白皮书下载 l 加入
QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源
l 链接到
网站原文
