3D打印即將“起飛”

3D打印即將“起飛”
2020/3/1811:02
航空航天工業(yè)一直尋求增材制造以提高效率、減少浪費，成為增材制造早期且熱情的采用者。增材制造技術(shù)已用于飛行器內(nèi)部制造支架；已用于打印發(fā)動機零件，從而大大減少了組件數(shù)量；甚至被用于生產(chǎn)21公斤的無人機，以試驗新技術(shù)。
粘合劑噴射增材制造技術(shù)公司ExOne認為，由3D打印技術(shù)制成的零件通常用于航空航天產(chǎn)品。西科斯基CH-53重型直升機就是一個例子，它使用由ExOne 3D打印工具制成的復(fù)合材料空氣導(dǎo)管。
這種好處是雙向的，航空航天企業(yè)的興趣也鼓勵了3D打印的進步。航空航天工業(yè)對增材制造的功能有強烈的需求，全世界的大型航空航天制造商都在講述他們的3D打印故事，它得到了驗證，這使人們能夠更認真地對待要求更高的應(yīng)用。
不再有“很多廢料”
出于各種原因，航空航天被增材制造所吸引。首先，航空工業(yè)廣泛使用昂貴的金屬，例如鈦。在傳統(tǒng)的減法制造中，超過90％的材料被去除，從而導(dǎo)致嚴峻的買飛比（BFT:buy to fly ratio）。3D打印能夠?qū)崿F(xiàn)新形狀，這意味著需要制造的零件數(shù)量將減少。通過3D打印，材料的浪費也更少。橡樹嶺國家實驗室（ORNL）認為，航空航天產(chǎn)品必須使用大量的鈦，會得到很多廢料。在切削工具方面鈦是殘酷的，鈦很難加工，增加了停機時間和刀具成本，但鈦容易3D打印。
3D打印也被視為使用較輕材料的一種方式。除鈦外，此類材料還包括鋁、碳纖維和復(fù)合材料。對于某些零件，重量可以減少約一半。輕量化至關(guān)重要——東西越重，將其保持在空中所需的能量就越大。航空航天工業(yè)愿意為增材制造零件支付溢價，所有的航空航天企業(yè)都做過計算，并宣稱增材制造是如何提高其競爭力的。
通用電氣公司一直是主要的增材制造采用者之一。CFM是GE航空與法國賽峰集團之間的平股合資企業(yè)，擁有四個經(jīng)過美國聯(lián)邦航空管理局認證的3D打印零件。它們是用于GE90-94B的T25傳感器和CFM LEAP燃油噴嘴頭，以及GEnx-2B電動門開啟系統(tǒng)（PDOS）支架和GE Passport氣-油分離器。
CFM LEAP發(fā)動機的燃油噴嘴系統(tǒng)于2015年在阿拉巴馬州一家工廠首次投入生產(chǎn)，這是首批因3D打印而廣為人知的航空航天系統(tǒng)之一。去年，該工廠生產(chǎn)了第30000個燃油噴嘴頭，該工藝也用于GEnx PDOS支架。GE還開發(fā)了GE Catalyst，這是一種渦輪螺旋槳發(fā)動機，可將855個常規(guī)零件組合成12個組件，而GE9X則將300多個常規(guī)零件組合成僅7個3D打印組件。GE航空表示已經(jīng)確認了80多個要使用3D打印的零件。
引發(fā)根本性的改變
GE航空的增材制造從大量新產(chǎn)品的引入開始，但是已經(jīng)將重點轉(zhuǎn)移到了降低現(xiàn)有產(chǎn)品成本的基礎(chǔ)上。增材制造為GE工程師提供了全新的創(chuàng)造自由度，從根本上改變了他們進行設(shè)計的方式。制造成本和設(shè)計復(fù)雜性之間的范式已經(jīng)顛覆，使用增材制造，可以優(yōu)化設(shè)計以提高性能。3D打印可以加速零件生產(chǎn)和試驗，由于零件產(chǎn)出更快，公司提前六個月完成了Catalyst燃燒室的臺架試驗。
GE還通過收購德國概念激光公司和瑞典Arcam AB的多數(shù)股權(quán)，投資了這項技術(shù)。隨著GE增材制造部門的發(fā)展，其業(yè)務(wù)可以在數(shù)小時而不是數(shù)月內(nèi)給出反饋并進行調(diào)整。隨著公司繼續(xù)發(fā)展增材制造工程和制造能力，這些投資使GE航空成為了更好的增材制造設(shè)備供應(yīng)商。ORNL認為GE為推動3D打印在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展做出了巨大貢獻。
讓“雷神”翱翔
空中客車集團是另一家采用3D打印的飛行器制造商。自2015年以來，空客對其“在現(xiàn)實中試驗高科技目標(biāo)”（縮寫THOR，即北歐神話中的雷神托爾）小型無人機進行了試飛，它的大約90％的結(jié)構(gòu)組件是由塑性聚酰胺粉末3D打印的。空客公司將THOR描述為“一個在實際飛行條件下實現(xiàn)不同技術(shù)的低風(fēng)險和快速開發(fā)的平臺?！笨湛屠迷霾闹圃旒夹g(shù)提高了THOR的開發(fā)速度，花了七個星期的時間打印了60個結(jié)構(gòu)部分，又花了一個星期組裝該飛機。
空客以其他方式擴大了對增材制造的使用。五年前，公司開始使用3D打印或所謂的“添加層制造（ALM）”制造支架?？湛捅硎具@是逐步引入ALM技術(shù)的長期戰(zhàn)略的步。在過去五年中，空客逐漸增加了ALM在批量生產(chǎn)和在役飛機中的應(yīng)用數(shù)量。公司已經(jīng)生產(chǎn)并在空客飛機上安裝了7萬多個3D打印零件，大多數(shù)零件都是用聚合物打印的，但用鈦和鎳基合金的越來越多。
由聚合物制成的3D打印備件已經(jīng)用在了A350 XWB系列飛機上。一些A320neo和A350 XWB試驗飛機配備了金屬打印的座艙支架和燃油管路。公司表示，更多的金屬零件正在認證過程中?？湛褪褂玫奶厥庠霾闹圃旒夹g(shù)，包括細絲沉積和粉末床聚合物技術(shù)、金屬粉末床和金屬線定向能沉積。目前，空客對可用于3D打印的材料數(shù)量感到滿意。在航空工業(yè)中使用ALM的合格鑒定工作在成本和時間上都非?？量獭Ｒ虼?，空客公司的重點是在確認了價值創(chuàng)造機遇的幾種知名金屬合金上引入該技術(shù)。
空客正在與Autodesk的生成設(shè)計合作，使用人工智能重新設(shè)計面向其它制造技術(shù)設(shè)計而現(xiàn)在要用3D打印的零件。2015年，空客推出了所謂的“仿生隔板”，這是一種金屬3D打印墻和后座支撐結(jié)構(gòu)，將客艙和飛機廚房分隔開。該隔板比常規(guī)制造的隔板輕約45％，空客打算為A320飛機生產(chǎn)該隔板。不過，空客預(yù)計金屬3D打印的成本將下降得更快。Autodesk正在稍微修改設(shè)計，使其具有許多相同的優(yōu)點。這第二種設(shè)計要求3D打印隔板的塑料模具，該模具將用已經(jīng)鑒定可以飛行的合金鑄造。模具仍然允許設(shè)計為更復(fù)雜的形狀，該隔板的第二個版本正在認證過程中。
航空航天迎來新金屬
增材制造公司正在努力滿足航空航天市場的需求。例如，EOS是使用直接金屬激光燒結(jié)的工業(yè)3D打印機制造商，已開始引入更多金屬進行打印。過去五年，公司又開發(fā)出10種金屬，這個數(shù)量不是很多。人們想確保可以制造出高質(zhì)量的零件，并且總是存在挑戰(zhàn)，開發(fā)它們確實需要時間。

EOS M290金屬3D打印機生產(chǎn)的火箭發(fā)動機
對于EOS，關(guān)鍵的航空航天市場是火箭發(fā)動機，客戶之一是2017年成立的Launcher，致力于研發(fā)用于發(fā)射衛(wèi)星的火箭。去年，Launcher成功地測試了在EOS機床上打印的3D打印銅合金發(fā)動機的點火性能。EOS已經(jīng)與Launcher一起研究了發(fā)動機開發(fā)的進度，期望在將來制造有效載荷非常大的發(fā)動機。越來越多的私人公司涉足火箭，3D打印加速了這一發(fā)展——人們可以在今天或一兩個星期內(nèi)完成設(shè)計，實際上可以還在辦公桌上擺放零件，并且可以對其進行一些測試。火箭行業(yè)現(xiàn)在看起來非常令人興奮。
減輕每一磅都很重要
另一位EOS客戶能夠通過3D打印減輕重量。他們把裝在衛(wèi)星內(nèi)部一塊面包大小的鋁制小盒子，通過增材制造，使其重量減少了20％左右。那也許不超過一兩磅，但是當(dāng)你談?wù)撚行лd荷時，每磅就代表數(shù)千美元。

圖7 正在激光增材機床中生產(chǎn)的零件
ExOne在航空航天領(lǐng)域也很活躍。自2002年以來，ExOne的Sand 3D打印機已進入包括航空航天在內(nèi)的工業(yè)市場，它們制造用于金屬鑄造的型芯。現(xiàn)在設(shè)計一個模具、獲得一個好零件的時間已經(jīng)能夠從數(shù)周和數(shù)月大幅減少到數(shù)天或數(shù)小時。除了增加復(fù)雜性而不增加成本和模具存儲之外，3D打印還允許快速的設(shè)計迭代。鑄造廠正在走向3D打印，3D打印砂型鑄造已被積極采用。
發(fā)明可沖蝕的工裝
ExOne發(fā)明了一種沖蝕工裝用于層壓復(fù)合材料（包括碳纖維和玻璃纖維復(fù)合材料）的犧牲工裝。ExOne開發(fā)了一種用水沖洗3D打印工裝的工藝，材料在高達180攝氏度時仍保持水溶性。該工藝正用于為洛克希德·馬丁公司的子公司西科斯基以及和皇家工程復(fù)合材料公司制造復(fù)合材料。ExOne還提供了完整的金屬3D打印機系列，可以直接打印諸如Inconel 718之類的金屬，它還可以打印諸如碳化硅之類的陶瓷。3D打印已經(jīng)能夠滲透到航空航天領(lǐng)域，人們傾向于擁有更復(fù)雜的鑄件，ExOne與西科斯基做了很多工作。
預(yù)計3D打印在未來五年中將取得更多進展，它會被測試、測試并重新測試，增材供應(yīng)鏈實際上也將在未來五年內(nèi)增長。空客表示將遵循其計劃，并逐步擴大應(yīng)用領(lǐng)域和相關(guān)的價值創(chuàng)造機遇。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，競爭力和市場份額將隨著新應(yīng)用的興起而逐步增長。ORNL認為3D打印在航空航天領(lǐng)域會越做越大，大型結(jié)構(gòu)組件是一些公司已經(jīng)開始研究的領(lǐng)域。人們對航空航天工業(yè)的信心與日俱增，增材制造確實會帶來巨大的改變。