航天航空技术是当今世界最具影响力的高新科技之一，而航天航空制造技术是航天航空技术的重要组成部分，其发展水平对于飞机、火箭、导弹和航天器等航天航空产品的可靠性增强与使用寿命延长，综合技术性能的完善，研制和生产成本的降低，甚至总体设计思想能否得到具体实现，均起着决定性作用。同时，航天航空制造技术是集现代科学技术成果之大成的制造技术，集中代表了一个国家的最高制造业水平和技术实力，是衡量一个国家科技发展综合水平的重要标志之一。

3D打印技术在航天航空领域的应用优势

第一，实现复杂难加工零件的制造。航天航空装备关键零部件的外形和内部结构通常较为复杂，铸造、锻造等传统制造工艺难以精准加工，而金属3D打印技术无需像传统制造技术一样研发零件制造过程中使用的模具，能让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，这将极大的缩短产品研发制造周期。国防大学军事后勤与军事科技装备教研部教授李大光表示上世纪八九十年代，要研发新一代战斗机至少要花10-20年的时间，而如果借助3D打印技术及其他信息技术，最少只需3年时间就能研制出一款新战斗机，因为3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件。

第二，显著提高材料利用率。航天航空装备对材料的性能和成分要求十分严苛，而材料的极大浪费也就意味着机械加工的程序复杂，生产时间周期长。传统制造方法对材料的使用率很低，一般不会大于10%，甚至仅为2%-5%，对于难加工的技术零件，加工周期会大幅度增加，制造周期明显延长，从而造成制造成本的增加。3D打印技术可以轻松地加工高熔点、高硬度的高温合金、钛合金等难加工材料，且3D打印加工过程中对材料的利用相对充分，只需进行少量的后续处理即可投入使用，材料的使用率达到了60%，有的可达90%以上，可以节约原材料且显著的降低制造成本。

第三，可有效实现零件减重。减重是航天航空武器装备永恒不变的主题,不仅可以使飞行装备在飞行过程中更灵活，而且可以减少载重量，节省燃油，降低飞行成本。但是传统的制造方法已经将零件减重发挥到了极致，想再进一步发挥余力，已经不太现实。但是3D技术的应用可以在保证性能的前提下优化复杂零部件的结构，减少零部件数量，实现零部件的整体制造，无需焊接、铆接等组装工艺，经变换重新设计，将复杂结构设计成简单结构，从而起到减轻重量的效果。而且通过优化零件结构，能使零件的应力呈现出最合理化的分布，降低疲劳裂纹产生的危险性，从而提高零部件的结构强度、增强完整性和可靠性等性能、增加使用寿命。战机的起落架是承受高载荷、高冲击的关键部位，这就需要零件具有高强度的抗冲击能力。美国F16战机上使用3D技术制造的起落架，不仅满足使用标准，而且平均寿命是原来的2.5倍。

第四，可快速修复零部件破损部分。在航天航空领域，重大装备造价昂贵，如果使用过程中出现零部件损坏或零件尺寸不合要求等问题，将造成很大经济损失。此时，选择利用3D打印技术修复零部件破损部分，使整体装备快速投入使用是明智的。以高性能整体涡轮叶盘零件为例，当盘上的某一叶片受损，则整个涡轮叶盘将报废，直接经济损失价值在百万之上。在以前，这种令人心痛的损失可能不可挽回，但是基于3D打印逐层制造的特点，我们只需将受损的叶片看作是一种特殊的基材，在受损部位进行激光立体成形，就可以回复零件形状，且性能满足使用要求，甚至是高于基材的使用性能。由于3D打印过程中的可控性，其修复带来的负面影响很有限。事实上，3D打印制造的零部件更容易得到修复，匹配性更佳。相较于其他制造技术，在3D修复过程中，由于制造工艺和修复参数的差距，很难使修复区和基材在组织、成分以及性能上保持一致性。但是在修复3D成形的零件时就不会存在这种问题了。修复过程可以看作是3D打印过程的延续，修复区与基材可以达到最优的匹配。这就实现了零件制造过程的良性循环：低成本制造+低成本修复=高经济效益。

国内外应用现状

因为3D打印的诸多优势，国内外在此领域的研究屡有突破。国内方面，中国航天科技集团公司与上海航天设备制造总厂联合研制出一款多激光3D打印机，目前已成功打印出卫星星载设备的光学镜片支架、飞机研制过程中用到的叶轮等构件。这些构件有的形状极其不规则，有的微小而复杂，如果采取传统加工技术，不仅造价昂贵、废品率高，甚至难以加工生产，而这台3D打印机很快就能打印出来。成都航利集团利用3D打印技术进行飞机发动机叶片修复，开展了数字化仿真、寿命评估等前沿理论研究和再制造技术预算，创建了国内第一套具有国际先进水平的航空发动机再制造技术和工程管理体系，使按引进标准不能修复的3万余件关键零部件得到再生，实现了军用航空发动整机性能升级，成为航空发动机精密零件世界级生产基地和供应商，并建成国内首个“航空发动机再制造技术应用研发中心”。国外方面，美国航空航天和军火承包商Aerojet Rocketdyne日前成功完成MPS-120 CubeSat（MPS-120）高冲击可适应模块推进系统的点火试验，这意味着3D打印的肼集成推进系统将可为微型CubeSat卫星提供动力。

此外，3D打印在太空中的应用也有一定收获。

2014年7月，NASA鼓励民众参与到“火星基地挑战”中。参与者需设计一个可经受得起火星残酷环境考验的智能化、功能化的火星基地三维模型。几周后，NASA宣布创建出首个船底座星云的完整三维模型。船底座星云距地球约7500光年，是值得天文学家深入研究的银河系最大、最亮的恒星之一。原恒星是太阳质量的90倍，排放能量是太阳的500万倍。NASA使用3D模型来获取其相关信息。2014年11月，Made In Space公司和 NASA的人员开始通过电子邮件向ISS发送空间站上3D打印机的使用说明以及空间站专用套筒扳手的3D打印资料，省时又节约能源。2015年初，NASA鼓励 “空间工具挑战”的参与者提交更多更新的3D打印设计发送给ISS，令太空旅行更加美好。美国宇航局（NASA）在3D打印领域一直风头十足。在其首次将3D打印机送入地球轨道半年之后，近日，来自阿拉巴马州Huntsville马歇尔太空飞行中心的工程师在摄像镜头前首次拆箱了从空间站（ISS）发回来的3D打印物品。

据NASA有关人员披露，为了更好地开拓其它行星和小行星，肯尼迪航天中心正在进行一项新的研究，其目的就是将机器人送到一些“漫游者”之类的探测车无法到达的地方。这些机器人，被称为“Extreme Access Flyers（极端访问飞行物）”，这是一种类似于无人机的飞行器，但是它主要依靠冷气喷射在其它星球的大气层（有的可能没有大气层）中飞行。据了解，NASA目前正在使用3D打印快速设计这些无人机的样机，同时也在测试它们是否能够自主飞行或者需要人类从远处控制它们飞行。NASA佛罗里达中心空间技术和创新实验室Swamp Works的高级技师Rob Mueller说，“要想利用火星或者小行星资源的第一步是先要找出资源。这些能够飞行的勘探机器人可以进入一些之前很难到达的地方，比如有些陨石坑壁角度在30度以上，对于传统的探测车来说实在是太陡可根本爬不上去。”这些太空无人机的原型由几个3D打印的部件以及大部分现成的部件组成，大约有5英尺宽。如果计划顺利的话，人类未来会派它们到火星的一些神秘区域，比如火山附近，或者是表面非常崎岖难行的小行星上。虽然这种无人机会在什么时候用在火星或者小行星上并没有明确的时间表，以及最终的版本是否采用3D打印的方式制造也不确定。但是它充分显示了3D打印在NASA内部的研究中发挥着重大作用。同时，NASA称，他们希望在下一个针对大型天体的主要任务中使用多架类似的无人机。“它们将有足够的推进剂在火星或月球上飞个几分钟，或者在小行星上飞几个小时。” Extreme Access Flyer项目的共同研究员Mike DuPuis说。

3D打印在航天航空领域应用的发展趋势及挑战

3D打印在航天航空领域的应用可谓是硕果累累，未来的应用发展更是令人期待。Vivek Saxena是 ICF International咨询公司的航空运营副总裁，他表示，3D打印技术在全球制造行业的市场份额仅为0.0002%，其在价值1500亿美金的航天航空领域的份额仅为0.002%。但是，很多分析师表示，在未来十年，3D打印技术将会带来20亿美金的收益。由此可以看出，3D打印技术在航天航空领域的应用前景十分广阔。以下是其未来在航天航空领域的5大应用：

一、飞机机翼制造

现在，很多飞机的零部件都是使用3D打印技术制作的，未来，将可以制作整个波音飞机的机翼。3D打印技术在大型零部件的制作上有很大的局限性，因其内部压力的变化，可以会使零部件变形。但是，最近BAE Systems发明了一种全新的制作方式，通过超声波可以让金属零部件更加坚固，减少局部压力。

二、复杂零部件制作

通用电气已经3D打印出了GE9X引擎，可以在未来的波音77 X长途客机上使用。3D打印技术也可以用于原型测试和数控机器的角度和公差测试等等。近日，Autodesk和Stratasys合作，3D打印出涡轮螺旋桨发动机，展示了3D打印技术在发动机零部件制作的前景。

三、按需制作零部件

目前，NASA下一代太空探索装置上将使用70个3D打印的零部件。按需进行零部件的制作将直接降低发送火箭到天空的成本和制作周期。3D按需打印航空零部件已经被很多公司使用，像Made in Space等等。通过与美国航天局合作，公司已经将一台零重力的3D打印机送向了国际空间站，让宇航员可以3D打印零部件。

四、无人驾驶航空系统

BAE Systems已经公布了2040个飞机零部件，将3D打印技术用于无人机的研究。这一概念将阐释无人机如何检测灾情，将工程数据传回地面指挥中心。最终，3D打印无人机将会执行救援行动或监控灾情。尽管这仅仅是一个概念化的想法，BAE Systems1.17亿用于无人机研发，希望可以将概念变为现实。

五、3DPaaS（3D Printing as a Service）

NASA正在展望探索3D打印作为快速预原型制造（Rapid Pre-Prototyping）的服务的未来。“3D打印让我们可以更简单地捕捉任务概念的想象。我们可以看到其他人在想象什么。”NASA喷气推进实验室的IT首席技术官Tom Soderstrom说。使用3DPaaS，工程师可以获得同行评审、替代设计概念、最终原型的认可。随着开源设计开发的发展，来自外界的各种想法都可以集成在一起，因而建造时间和成本都可以可观地降低。

航天航空作为3D打印技术的首要应用领域，其技术优势明显，但是这绝不是意味着金属3D打印是无所不能的，在实际生产中，其技术应用还有很多亟待决绝的问题。比如目前3D打印还无法适应大规模生产，满足不了高精度需求，无法实现高效率制造等。而且，制约3D打印发展的一个关键因素就是其设备成本的居高不下，大多数民用领域还无法承担起如此高昂的设备制造成本。但是随着材料技术、计算机技术以及激光技术的不断发展，制造成本将会不断降低，满足制造业对生产成本的承受能力，届时，3D打印将会在制造领域绽放属于它的光芒。