3D打印即將“起飛”

3D打印即將“起飛”
2020/3/1811:02
航空航天工業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。增材制造技術已用于飛行器內部制造支架；已用于打印發動機零件，從而大大減少了組件數量；甚至被用于生產21公斤的無人機，以試驗新技術。
粘合劑噴射增材制造技術公司ExOne認為，由3D打印技術制成的零件通常用于航空航天產品。西科斯基CH-53重型直升機就是一個例子，它使用由ExOne 3D打印工具制成的復合材料空氣導管。
這種好處是雙向的，航空航天企業的興趣也鼓勵了3D打印的進步。航空航天工業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，航空工業廣泛使用昂貴的金屬，例如鈦。在傳統的減法制造中，超過90％的材料被去除，從而導致嚴峻的買飛比（BFT:buy to fly ratio）。3D打印能夠實現新形狀，這意味著需要制造的零件數量將減少。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、碳纖維和復合材料。對于某些零件，重量可以減少約一半。輕量化至關重要——東西越重，將其保持在空中所需的能量就越大。航空航天工業愿意為增材制造零件支付溢價，所有的航空航天企業都做過計算，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最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，擁有四個經過美國聯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（PDOS）支架和GE Passport氣-油分離器。
CFM LEAP發動機的燃油噴嘴系統于2015年在阿拉巴馬州一家工廠首次投入生產，這是首批因3D打印而廣為人知的航空航天系統之一。去年，該工廠生產了第30000個燃油噴嘴頭，該工藝也用于GEnx PDOS支架。GE還開發了GE Catalyst，這是一種渦輪螺旋槳發動機，可將855個常規零件組合成12個組件，而GE9X則將300多個常規零件組合成僅7個3D打印組件。GE航空表示已經確認了80多個要使用3D打印的零件。
引發根本性的改變
GE航空的增材制造從大量新產品的引入開始，但是已經將重點轉移到了降低現有產品成本的基礎上。增材制造為GE工程師提供了全新的創造自由度，從根本上改變了他們進行設計的方式。制造成本和設計復雜性之間的范式已經顛覆，使用增材制造，可以優化設計以提高性能。3D打印可以加速零件生產和試驗，由于零件產出更快，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的多數股權，投資了這項技術。隨著GE增材制造部門的發展，其業務可以在數小時而不是數月內給出反饋并進行調整。隨著公司繼續發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備供應商。ORNL認為GE為推動3D打印在航空航天領域的發展做出了巨大貢獻。
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“在現實中試驗高科技目標”（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％的結構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不同技術的低風險和快速開發的平臺。”空客利用增材制造技術提高了THOR的開發速度，花了七個星期的時間打印了60個結構部分，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。空客表示這是逐步引入ALM技術的長期戰略的第一步。在過去五年中，空客逐漸增加了ALM在批量生產和在役飛機中的應用數量。公司已經生產并在空客飛機上安裝了7萬多個3D打印零件，大多數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。空客使用的特殊增材制造技術，包括細絲沉積和粉末床聚合物技術、金屬粉末床和金屬線定向能沉積。目前，空客對可用于3D打印的材料數量感到滿意。在航空工業中使用ALM的合格鑒定工作在成本和時間上都非常苛刻。因此，空客公司的重點是在確認了價值創造機遇的幾種知名金屬合金上引入該技術。
空客正在與Autodesk的生成設計合作，使用人工智能重新設計面向其它制造技術設計而現在要用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構，將客艙和飛機廚房分隔開。該隔板比常規制造的隔板輕約45％，空客打算為A320飛機生產該隔板。不過，空客預計金屬3D打印的成本將下降得更快。Autodesk正在稍微修改設計，使其具有許多相同的優點。這第二種設計要求3D打印隔板的塑料模具，該模具將用已經鑒定可以飛行的合金鑄造。模具仍然允許設計為更復雜的形狀，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的工業3D打印機制造商，已開始引入更多金屬進行打印。過去五年，公司又開發出10種金屬，這個數量不是很多。人們想確保可以制造出高質量的零件，并且總是存在挑戰，開發它們確實需要時間。

EOS M290金屬3D打印機生產的火箭發動機
對于EOS，關鍵的航空航天市場是火箭發動機，客戶之一是2017年成立的Launcher，致力于研發用于發射衛星的火箭。去年，Launcher成功地測試了在EOS機床上打印的3D打印銅合金發動機的點火性能。EOS已經與Launcher一起研究了發動機開發的進度，期望在將來制造有效載荷非常大的發動機。越來越多的私人公司涉足火箭，3D打印加速了這一發展——人們可以在今天或一兩個星期內完成設計，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。火箭行業現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。他們把裝在衛星內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，但是當你談論有效載荷時，每磅就代表數千美元。

圖7 正在激光增材機床中生產的零件
ExOne在航空航天領域也很活躍。自2002年以來，ExOne的Sand 3D打印機已進入包括航空航天在內的工業市場，它們制造用于金屬鑄造的型芯。現在設計一個模具、獲得一個好零件的時間已經能夠從數周和數月大幅減少到數天或數小時。除了增加復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。
發明可沖蝕的工裝
ExOne發明了一種沖蝕工裝用于層壓復合材料（包括碳纖維和玻璃纖維復合材料）的犧牲工裝。ExOne開發了一種用水沖洗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合材料公司制造復合材料。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打印已經能夠滲透到航空航天領域，人們傾向于擁有更復雜的鑄件，ExOne與西科斯基做了很多工作。
預計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，增材供應鏈實際上也將在未來五年內增長。空客表示將遵循其計劃，并逐步擴大應用領域和相關的價值創造機遇。與傳統技術相比，競爭力和市場份額將隨著新應用的興起而逐步增長。ORNL認為3D打印在航空航天領域會越做越大，大型結構組件是一些公司已經開始研究的領域。人們對航空航天工業的信心與日俱增，增材制造確實會帶來巨大的改變。