连续纤维增材制造的机翼已飞上天，复材打印在低空飞行器上还需翻过几道坎？

可以想象这样一个场景：当机翼设计改了一版，不需要通知模具车间推倒重来，不需要排队等热压罐的罐期，只需要改一下CAD模型、重新生成一遍刀具路径几天之后，一件新的连续碳纤维机翼结构件就被快速制造出来了。

这不是概念演示，而是已经发生的真实案例。

2025年，诺斯罗普·格鲁曼公司宣布，旗下Model 437验证机将作为Beacon自主生态系统的飞行测试平台。其中的看点在于这架飞机的机翼很可能是有史以来第一副通过连续碳纤维增材制造技术制造出来的主承力结构。

这个案例提供了一个新的工艺选项，即主结构制造可以绕过传统模具和热压罐，走一条无模、快速、一体化的路径。这不仅影响结构重量和成本，也影响从设计到首飞的迭代周期。本期文章将解析Model 437机翼制造背后的技术应用逻辑，并初步探讨如果这类增材制造的结构件走向适航审定，会遇到哪些挑战。

来源：Northrop Grumman, Siemens,

Electroimpact, Scaled Composites

为什么使用连续纤维增材制造技术？

Model 437最初是一款概念设计，旨在探索一种多任务、低成本的可消耗飞机，其中Vanguard为有人驾驶型号。该飞机长41英尺，翼展41英尺，总起飞重量10,000磅，由一台推力3,400磅的普惠发动机提供动力。

这架飞机同时是诺斯罗普·格鲁曼"数字探路者"（Digital Pathfinder）计划的核心验证平台。在分工上，诺斯罗普·格鲁曼负责可拆卸机翼组件的设计、制造与总装，其子公司Scaled Composites负责气动与结构分析、机身与尾翼制造、飞机总装、系统集成以及地面和飞行测试。

Model 437的机翼，也是飞机的主承力结构，由连续纤维增材制造技术生产。

诺斯罗普·格鲁曼先进制造领域研究员Eric Barnes曾这样描述该技术的优势："我们通过专利的SCRAM（可扩展复合材料机器人增材制造）能力，全程采用数字化信息，无需任何硬质模具，仅需快速沉积的可溶聚合物模具。结合该过程中无需二次固化或热压罐处理的特性，我们大幅降低了成本并缩短了周期。"

来源： Electroimpact

总结下来，公司使用这一技术制造机翼的主要驱动力有三点：

• 速度：该项目从启动到首飞仅约27个月，传统"模具先行"的复材工艺路线很难支撑这种迭代节奏。

• 成本：省去硬质模具的设计、加工与维护费用，也省去热压罐的资本开支与能耗。

• 结构效率：Barnes指出，SCRAM的一项关键专利允许设备在材料之间切换、以三维形态铺设连续纤维，"这使我们能让纤维方向与载荷方向对齐，用更少的材料做出更轻、更强的结构"。

同一机翼主结构中还集成了等离子弧定向能量沉积（Plasma Arc DED）成形的钛合金结构件，相关部件的成本与周期较传统工艺降低约30%。

前文提到，Model 437验证机同时是诺斯罗普·格鲁曼"数字探路者"（Digital Pathfinder）计划的核心验证平台。"数字探路者"的整体成效同样明显。借助全联通的数字生态系统，该项目的工程返工率降至1%以下，而传统飞机项目通常要为此预留15–20%的预算。

"一台设备即工厂"的连续纤维3D打印机

SCRAM系统由美国航空航天自动化设备商Electroimpact开发，2020年首次公开，此前已秘密研发约四年。

来源： Electroimpact

从技术构成上看，SCRAM是一个多工艺集成制造单元，在同一舱体内集成了四项能力：

• 原位固化（in-situ consolidation）的非热压罐（OOA）热塑性自动纤维铺放（AFP），即连续纤维沉积；

• FFF熔丝3D打印，用于打印可溶解的支撑模具；

• FGF颗粒挤出打印，用于快速堆积大型工装；

• 减材铣削加工，用于修整机加工件与工装表面。

整个系统由西门子数控系统统一控制，机器人采用Electroimpact专利的"精确机器人"（Accurate Robot）二次反馈与高阶运动学补偿技术，将路径精度从普通工业机器人的30–40密尔（0.76–1.0毫米）压缩到±10密尔（约±0.25毫米）级别。

与传统AFP有什么区别？

SCRAM连续纤维增材制造技术与传统AFP自动纤维铺放技术的区别，可以概括为四个"没有"和三个"真"：

四个"没有"：没有硬质模具（支撑模具按需打印、用后水溶去除）；没有热压罐（激光加热原位固化，无二次固化）；没有平面分层约束（6轴空间路径，"真3D"打印而非2.5D叠层）；没有工序割裂（打印、铺放、铣削在同一单元内完成）。

三个"真"：纤维方向可随载荷逐层定制的真三维铺放；连续纤维体积分数可达50–60%的真结构级材料；从CAD直接到零件的真数字化短流程。

材料体系方面，SCRAM面向PAEK家族高性能热塑性塑料（PEEK、PEKK等），增强相包括碳纤维、玻璃纤维和硼纤维，另兼容PA12等低温热塑性材料与水溶性模具材料。

“3D Science Valley 白皮书 图文解析

需要指出的是，SCRAM并非在所有维度上都优于传统路线。Electroimpact自己的技术阐述中也提到：热压罐固化件的孔隙率可以做到1%以下——这是航空主结构的常用标准，而非热压罐工艺通常只能达到2-3%左右的水平。SCRAM宣称其原位固化连续纤维件可以达到非热压罐工艺的孔隙率水平，但与热压罐件之间仍存在差距。此外，截至2022年，单套SCRAM系统的成本仍在数百万美元级，且学习曲线陡峭，并非即插即用的方案。

最新进展——已成为多项目测试平台

Model 437的故事并未止步于首飞。由于机翼制造环节的数字化与低成本特性，这架飞机正在演变为美国军用自主飞行软件的公共测试平台：

• 2025年6月，诺斯罗普·格鲁曼发布Beacon自主飞行生态系统，宣布用改装后的Model 437为第三方自主飞行软件提供飞行测试服务，首批合作伙伴包括Applied Intuition、Autonodyne、Merlin、Red 6、Shield AI和SoarTech六家公司；

• 2025年9月，Beacon构型的Model 437完成首飞，搭载诺斯罗普自研的Prism自主飞行软件，机上保留安全飞行员，测试计划延续至2026年；

• 2026年3月，该项目更名为Talon IQ，并完成首次合作伙伴自主飞行：Shield AI的Hivemind软件在经过仅一天的硬件在环测试后即驾机升空，执行了战斗空中巡逻与目标交战机动，随后飞行控制权切换回诺斯罗普的Prism软件。

可以说，SCRAM工艺制造的机翼不仅支撑了一架验证机，也支撑了一条快速试制，快速试飞，快速迭代的装备发展路径。

适航认证的挑战

Model 437是军用技术验证机，走的是军方快速采办通道，而非民航适航审定。对于希望把同类技术用于无人机乃至载人飞行器的用户而言，真正的问题是，如果SCRAM或同类增材制造工艺制造的连续纤维增强3D打印零部件要接受适航审定，需要解决哪些问题？

以中国民航局（CAAC）对载人eVTOL的审定实践为例，可以看出工作量的量级。以全球首张eVTOL型号合格证的获得者亿航EH216-S为例：CAAC采取"一事一议"原则，为每个eVTOL项目单独制定专用条件（EH216-S的专用条件于2022年2月发布），内容涵盖总则、飞行及性能、结构、设计和构造、动力装置、系统和设备等章节；其安全性要求包括"每个灾难性失效状态的发生概率极不可能（10⁻⁷），且不能由单点失效导致"。

在1,000多天的审定过程中，EH216-S完成了包括主材料性能、结构强度、阻燃、坠撞、气体毒性、设备与系统环境、软件仿真、数据链路、整机功能、电磁兼容、飞行性能和操稳特性在内的大量实验室试验、地面试验与飞行试验，最终于2023年10月取得型号合格证（TC）、2023年12月取得标准适航证、2024年4月取得生产许可证（PC）。

如果把这套要求投射到连续纤维增材制造主结构上，至少有四方面的工作需要关注：

第一，材料与工艺规范的建立。传统预浸料有成熟的材料规范与许用值数据库体系可依托，而"热塑性原位固化+增材"的材料—工艺组合需要从头建立材料规范、工艺规范和统计意义上的许用值数据。

第二，过程稳定性与批次一致性。增材制造的性能由设备、工艺参数、材料批次共同决定。取得型号合格证之后还要拿生产许可证，意味着每一台打印单元、每一个零件的沉积过程都必须可重复、可追溯。这对"无模成型"工艺的过程监控与数字化记录提出了较高要求。反过来看，SCRAM这类全程数控的工艺也天然具备数据留痕的优势。

第三，缺陷与无损检测。孔隙率是一个硬指标：热压罐件<1%的行业标准与非热压罐工艺2-3%的典型水平之间存在差距。增材工艺的内部通道、变密度芯材等新构型也会给超声等常规无损检测手段带来新的课题，缺陷验收准则需要与局方共同定义。

第四，以数字化模型换物理试验。诺斯罗普在"数字探路者"中的做法值得关注，通过高置信度模型与经过批准的模型验证方案，减少了地面试验与飞行试验的数量。

根据3D科学谷的市场洞察，在增材制造零部件的认证工作中也存在相似的验证路径，当反复的物理试验走到极限时，基于高保真模型的数字化预认证正在成为新的探索方向，包括America Makes、新加坡标准理事会在内的全球多家机构已将数字化预认证作为战略探索方向。但无论采用何种方式，连续纤维增材制造过适航关的关键，都在于能否向局方证明每一批零件都具有一致可靠的性能。

从2020年SCRAM技术公开，到2024年Model 437完成首飞，连续碳纤维增材制造用了大约四年时间走完从实验室到飞行验证机的路程。

但军用验证机与商用适航之间，还存在材料数据、过程控制和审定路径等方面的距离。SCRAM和Model 437案例的参考意义，不在于某台设备或某个公司本身，而在于它们提供了一个可参照的坐标：这项技术目前在什么位置，它有哪些可验证的优势，以及要走向适航认证还需要解决哪些工程问题。

对于正在评估制造方案的飞行器制造用户而言，连续纤维增材制造已经不再只是概念，而是一个可纳入技术储备的选项。

▌三维科学 l 无限可能

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