3D打印用于航空航天工業(yè)中的好處有哪些

航空航天工業(yè)一直尋求增材制造以提高效率、減少浪費(fèi)，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(dòng)機(jī)零件，從而大大減少了組件數(shù)量；甚至被用于生產(chǎn)21千克的無(wú)人機(jī)，以試驗(yàn)新技術(shù)。

粘合劑噴射增材制造技術(shù)公司ExOne認(rèn)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(jī)就是一個(gè)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(lì)了3D打印的進(jìn)步。航空航天工業(yè)對(duì)增材制造的功能有強(qiáng)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(yàn)證，這使人們能夠更認(rèn)真地對(duì)待要求更高的應(yīng)用。

3D打印無(wú)人機(jī)THOR進(jìn)行飛行試驗(yàn)

空客3D打印支架裝配件。

GE航空：提高增材制造創(chuàng)新能力

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(guò)90％的材料被去除，從而導(dǎo)致嚴(yán)峻的買(mǎi)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(guò)3D打印，材料的浪費(fèi)也更少。橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）認(rèn)為，航空航天產(chǎn)品必須使用大量的鈦，會(huì)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(jī)時(shí)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(lèi)材料還包括鋁、碳纖維和復(fù)合材料。對(duì)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(jià)，所有的航空航天企業(yè)都做過(guò)計(jì)算，并宣稱(chēng)增材制造是如何提高其競(jìng)爭(zhēng)力的。

通用電氣公司一直是最主要的增材制造采用者之一。CFM是GE航空與法國(guó)賽峰集團(tuán)之間的平股合資企業(yè)，擁有四個(gè)經(jīng)過(guò)美國(guó)聯(lián)邦航空管理局認(rèn)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(dòng)門(mén)開(kāi)啟系統(tǒng)（PDOS）支架和GE Passport氣—油分離器。

CFM LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴嘴系統(tǒng)于2015年在阿拉巴馬州一家工廠(chǎng)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(chǎng)生產(chǎn)了第30000個(gè)燃油噴嘴頭，該工藝也用于GEnx PDOS支架。GE還開(kāi)發(fā)了GE Catalyst，這是一種渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)，可將855個(gè)常規(guī)零件組合成12個(gè)組件，而GE9X則將300多個(gè)常規(guī)零件組合成僅7個(gè)3D打印組件。GE航空表示已經(jīng)確認(rèn)了80多個(gè)要使用3D打印的零件。

GE航空的增材制造從大量新產(chǎn)品的引入開(kāi)始，但是已經(jīng)將重點(diǎn)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(jìn)行設(shè)計(jì)的方式。制造成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜性之間的范式已經(jīng)顛覆，使用增材制造，可以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)以提高性能。3D打印可以加速零件生產(chǎn)和試驗(yàn)，由于零件產(chǎn)出更快，公司提前6個(gè)月完成了Catalyst燃燒室的臺(tái)架試驗(yàn)。

GE還通過(guò)收購(gòu)德國(guó)概念激光公司和瑞典Arcam AB的多數(shù)股權(quán)，投資了這項(xiàng)技術(shù)。隨著GE增材制造部門(mén)的發(fā)展，其業(yè)務(wù)可以在數(shù)小時(shí)而不是數(shù)月內(nèi)給出反饋并進(jìn)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航空成為更好的增材制造設(shè)備供應(yīng)商。ORNL認(rèn)為GE為推動(dòng)3D打印在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。

空客公司：快速制造備件滿(mǎn)足需求

空中客車(chē)集團(tuán)是另一家采用3D打印的飛行器制造商。自2015年以來(lái)，空客對(duì)其“在現(xiàn)實(shí)中試驗(yàn)高科技目標(biāo)”小型無(wú)人機(jī)進(jìn)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?？湛凸緦HOR描述為“一個(gè)在實(shí)際飛行條件下實(shí)現(xiàn)不同技術(shù)的低風(fēng)險(xiǎn)和快速開(kāi)發(fā)的平臺(tái)?！笨湛屠迷霾闹圃旒夹g(shù)提高了THOR的開(kāi)發(fā)速度，花了七個(gè)星期的時(shí)間打印了60個(gè)結(jié)構(gòu)部分，又花了一個(gè)星期組裝該飛機(jī)。

空客以其他方式擴(kuò)大了對(duì)增材制造的使用。5年前，公司開(kāi)始使用3D打印或所謂的“添加層制造”（ALM）制造支架。空客表示這是逐步引入ALM技術(shù)的長(zhǎng)期戰(zhàn)略的第一步。在過(guò)去5年中，空客逐漸增加了ALM在批量生產(chǎn)和在役飛機(jī)中的應(yīng)用數(shù)量。公司已經(jīng)生產(chǎn)并在空客飛機(jī)上安裝了7萬(wàn)多個(gè)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(lái)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(jī)上。一些A320neo和A350 XWB試驗(yàn)飛機(jī)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(rèn)證過(guò)程中?？湛褪褂玫奶厥庠霾闹圃旒夹g(shù)，包括細(xì)絲沉積和粉末床聚合物技術(shù)、金屬粉末床和金屬線(xiàn)定向能沉積。目前，空客對(duì)可用于3D打印的材料數(shù)量感到滿(mǎn)意。在航空工業(yè)中使用ALM的合格鑒定工作在成本和時(shí)間上都非?？量?。因此，空客公司的重點(diǎn)是在確認(rèn)了價(jià)值創(chuàng)造機(jī)遇的幾種常用金屬合金上引入該技術(shù)。

空客正在與Autodesk的生成設(shè)計(jì)合作，使用人工智能重新設(shè)計(jì)面向其他制造技術(shù)設(shè)計(jì)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(jī)廚房分隔開(kāi)。該隔板比常規(guī)制造的隔板輕約45％，空客打算為A320飛機(jī)生產(chǎn)該隔板。不過(guò)，空客預(yù)計(jì)金屬3D打印的成本將下降得更快。Autodesk正在稍微修改設(shè)計(jì)，使其具有許多相同的優(yōu)點(diǎn)。這第二種設(shè)計(jì)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(jì)為更復(fù)雜的形狀，該隔板的第二個(gè)版本正在認(rèn)證過(guò)程中。

航空航天市場(chǎng)迎來(lái)新金屬

增材制造公司正在努力滿(mǎn)足航空航天市場(chǎng)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(jī)制造商，已開(kāi)始引入更多金屬進(jìn)行打印。過(guò)去5年，公司又開(kāi)發(fā)出10種金屬，這個(gè)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(kāi)發(fā)它們確實(shí)需要時(shí)間。

對(duì)于EOS，關(guān)鍵的航空航天市場(chǎng)是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，客戶(hù)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(cè)試了在EOS機(jī)床上打印的3D打印銅合金發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火性能。EOS已經(jīng)與Launcher一起研究了發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)的進(jìn)度，期望在將來(lái)制造有效載荷非常大的發(fā)動(dòng)機(jī)。越來(lái)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(gè)星期內(nèi)完成設(shè)計(jì)，實(shí)際上可以還在辦公桌上擺放零件，并且可以對(duì)其進(jìn)行一些測(cè)試?；鸺袠I(yè)現(xiàn)在看起來(lái)非常令人興奮。

另一位EOS客戶(hù)能夠通過(guò)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(guò)增材制造，使其重量減少了20％左右。ExOne在航空航天領(lǐng)域也很活躍。自2002年以來(lái)，ExOne的Sand 3D打印機(jī)已進(jìn)入包括航空航天在內(nèi)的工業(yè)市場(chǎng)，它們制造用于金屬鑄造的型芯?，F(xiàn)在設(shè)計(jì)一個(gè)模具、獲得一個(gè)好零件的時(shí)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(shí)。除了增加復(fù)雜性而不增加成本和模具存儲(chǔ)之外，3D打印還允許快速的設(shè)計(jì)迭代。鑄造廠(chǎng)正在走向3D打印，3D打印砂型鑄造已被積極采用。

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(kāi)發(fā)了一種用水沖洗3D打印工裝的工藝，材料在高達(dá)180攝氏度時(shí)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(jī)系列，可以直接打印諸如Inconel 718之類(lèi)的金屬，它還可以打印諸如碳化硅之類(lèi)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(jì)3D打印在未來(lái)五年中將取得更多進(jìn)展，它會(huì)被測(cè)試、測(cè)試并重新測(cè)試，增材供應(yīng)鏈實(shí)際上也將在未來(lái)5年內(nèi)增長(zhǎng)?？湛捅硎緦⒆裱溆?jì)劃，并逐步擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域和相關(guān)的價(jià)值創(chuàng)造機(jī)遇。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，競(jìng)爭(zhēng)力和市場(chǎng)份額將隨著新應(yīng)用的興起而逐步增長(zhǎng)。ORNL認(rèn)為3D打印在航空航天領(lǐng)域會(huì)越做越大，大型結(jié)構(gòu)組件是一些公司已經(jīng)開(kāi)始研究的領(lǐng)域。人們對(duì)航空航天工業(yè)的信心與日俱增，增材制造未來(lái)將會(huì)帶來(lái)更大的改變。