3D打印即将“起飞”

3D打印即将“起飞”
2020/3/1811:02
航空航天工业一直寻求增材制造以提高效率、减少浪费，成为增材制造早期且热情的采用者。增材制造技术已用于飞行器内部制造支架；已用于打印发动机零件，从而大大减少了组件数量；甚至被用于生产21公斤的无人机，以试验新技术。
粘合剂喷射增材制造技术公司ExOne认为，由3D打印技术制成的零件通常用于航空航天产品。西科斯基CH-53重型直升机就是一个例子，它使用由ExOne 3D打印工具制成的复合材料空气导管。
这种好处是双向的，航空航天企业的兴趣也鼓励了3D打印的进步。航空航天工业对增材制造的功能有强烈的需求，全世界的大型航空航天制造商都在讲述他们的3D打印故事，它得到了验证，这使人们能够更认真地对待要求更高的应用。
不再有“很多废料”
出于各种原因，航空航天被增材制造所吸引。首先，航空工业广泛使用昂贵的金属，例如钛。在传统的减法制造中，超过90％的材料被去除，从而导致严峻的买飞比（BFT:buy to fly ratio）。3D打印能够实现新形状，这意味着需要制造的零件数量将减少。通过3D打印，材料的浪费也更少。橡树岭国家实验室（ORNL）认为，航空航天产品必须使用大量的钛，会得到很多废料。在切削工具方面钛是残酷的，钛很难加工，增加了停机时间和刀具成本，但钛容易3D打印。
3D打印也被视为使用较轻材料的一种方式。除钛外，此类材料还包括铝、碳纤维和复合材料。对于某些零件，重量可以减少约一半。轻量化至关重要——东西越重，将其保持在空中所需的能量就越大。航空航天工业愿意为增材制造零件支付溢价，所有的航空航天企业都做过计算，并宣称增材制造是如何提高其竞争力的。
通用电气公司一直是主要的增材制造采用者之一。CFM是GE航空与法国赛峰集团之间的平股合资企业，拥有四个经过美国联邦航空管理局认证的3D打印零件。它们是用于GE90-94B的T25传感器和CFM LEAP燃油喷嘴头，以及GEnx-2B电动门开启系统（PDOS）支架和GE Passport气-油分离器。
CFM LEAP发动机的燃油喷嘴系统于2015年在阿拉巴马州一家工厂首次投入生产，这是首批因3D打印而广为人知的航空航天系统之一。去年，该工厂生产了第30000个燃油喷嘴头，该工艺也用于GEnx PDOS支架。GE还开发了GE Catalyst，这是一种涡轮螺旋桨发动机，可将855个常规零件组合成12个组件，而GE9X则将300多个常规零件组合成仅7个3D打印组件。GE航空表示已经确认了80多个要使用3D打印的零件。
引发根本性的改变
GE航空的增材制造从大量新产品的引入开始，但是已经将重点转移到了降低现有产品成本的基础上。增材制造为GE工程师提供了全新的创造自由度，从根本上改变了他们进行设计的方式。制造成本和设计复杂性之间的范式已经颠覆，使用增材制造，可以优化设计以提高性能。3D打印可以加速零件生产和试验，由于零件产出更快，公司提前六个月完成了Catalyst燃烧室的台架试验。
GE还通过收购德国概念激光公司和瑞典Arcam AB的多数股权，投资了这项技术。随着GE增材制造部门的发展，其业务可以在数小时而不是数月内给出反馈并进行调整。随着公司继续发展增材制造工程和制造能力，这些投资使GE航空成为了更好的增材制造设备供应商。ORNL认为GE为推动3D打印在航空航天领域的发展做出了巨大贡献。
让“雷神”翱翔
空中客车集团是另一家采用3D打印的飞行器制造商。自2015年以来，空客对其“在现实中试验高科技目标”（缩写THOR，即北欧神话中的雷神托尔）小型无人机进行了试飞，它的大约90％的结构组件是由塑性聚酰胺粉末3D打印的。空客公司将THOR描述为“一个在实际飞行条件下实现不同技术的低风险和快速开发的平台。”空客利用增材制造技术提高了THOR的开发速度，花了七个星期的时间打印了60个结构部分，又花了一个星期组装该飞机。
空客以其他方式扩大了对增材制造的使用。五年前，公司开始使用3D打印或所谓的“添加层制造（ALM）”制造支架。空客表示这是逐步引入ALM技术的长期战略的步。在过去五年中，空客逐渐增加了ALM在批量生产和在役飞机中的应用数量。公司已经生产并在空客飞机上安装了7万多个3D打印零件，大多数零件都是用聚合物打印的，但用钛和镍基合金的越来越多。
由聚合物制成的3D打印备件已经用在了A350 XWB系列飞机上。一些A320neo和A350 XWB试验飞机配备了金属打印的座舱支架和燃油管路。公司表示，更多的金属零件正在认证过程中。空客使用的特殊增材制造技术，包括细丝沉积和粉末床聚合物技术、金属粉末床和金属线定向能沉积。目前，空客对可用于3D打印的材料数量感到满意。在航空工业中使用ALM的合格鉴定工作在成本和时间上都非常苛刻。因此，空客公司的重点是在确认了价值创造机遇的几种知名金属合金上引入该技术。
空客正在与Autodesk的生成设计合作，使用人工智能重新设计面向其它制造技术设计而现在要用3D打印的零件。2015年，空客推出了所谓的“仿生隔板”，这是一种金属3D打印墙和后座支撑结构，将客舱和飞机厨房分隔开。该隔板比常规制造的隔板轻约45％，空客打算为A320飞机生产该隔板。不过，空客预计金属3D打印的成本将下降得更快。Autodesk正在稍微修改设计，使其具有许多相同的优点。这第二种设计要求3D打印隔板的塑料模具，该模具将用已经鉴定可以飞行的合金铸造。模具仍然允许设计为更复杂的形状，该隔板的第二个版本正在认证过程中。
航空航天迎来新金属
增材制造公司正在努力满足航空航天市场的需求。例如，EOS是使用直接金属激光烧结的工业3D打印机制造商，已开始引入更多金属进行打印。过去五年，公司又开发出10种金属，这个数量不是很多。人们想确保可以制造出高质量的零件，并且总是存在挑战，开发它们确实需要时间。

EOS M290金属3D打印机生产的火箭发动机
对于EOS，关键的航空航天市场是火箭发动机，客户之一是2017年成立的Launcher，致力于研发用于发射卫星的火箭。去年，Launcher成功地测试了在EOS机床上打印的3D打印铜合金发动机的点火性能。EOS已经与Launcher一起研究了发动机开发的进度，期望在将来制造有效载荷非常大的发动机。越来越多的私人公司涉足火箭，3D打印加速了这一发展——人们可以在今天或一两个星期内完成设计，实际上可以还在办公桌上摆放零件，并且可以对其进行一些测试。火箭行业现在看起来非常令人兴奋。
减轻每一磅都很重要
另一位EOS客户能够通过3D打印减轻重量。他们把装在卫星内部一块面包大小的铝制小盒子，通过增材制造，使其重量减少了20％左右。那也许不超过一两磅，但是当你谈论有效载荷时，每磅就代表数千美元。

图7 正在激光增材机床中生产的零件
ExOne在航空航天领域也很活跃。自2002年以来，ExOne的Sand 3D打印机已进入包括航空航天在内的工业市场，它们制造用于金属铸造的型芯。现在设计一个模具、获得一个好零件的时间已经能够从数周和数月大幅减少到数天或数小时。除了增加复杂性而不增加成本和模具存储之外，3D打印还允许快速的设计迭代。铸造厂正在走向3D打印，3D打印砂型铸造已被积极采用。
发明可冲蚀的工装
ExOne发明了一种冲蚀工装用于层压复合材料（包括碳纤维和玻璃纤维复合材料）的牺牲工装。ExOne开发了一种用水冲洗3D打印工装的工艺，材料在高达180摄氏度时仍保持水溶性。该工艺正用于为洛克希德·马丁公司的子公司西科斯基以及和皇家工程复合材料公司制造复合材料。ExOne还提供了完整的金属3D打印机系列，可以直接打印诸如Inconel 718之类的金属，它还可以打印诸如碳化硅之类的陶瓷。3D打印已经能够渗透到航空航天领域，人们倾向于拥有更复杂的铸件，ExOne与西科斯基做了很多工作。
预计3D打印在未来五年中将取得更多进展，它会被测试、测试并重新测试，增材供应链实际上也将在未来五年内增长。空客表示将遵循其计划，并逐步扩大应用领域和相关的价值创造机遇。与传统技术相比，竞争力和市场份额将随着新应用的兴起而逐步增长。ORNL认为3D打印在航空航天领域会越做越大，大型结构组件是一些公司已经开始研究的领域。人们对航空航天工业的信心与日俱增，增材制造确实会带来巨大的改变。