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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(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公斤的無人機(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(yán)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(fèi)也更少。橡樹嶺國家實(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(jià),所有的航空航天企業(yè)都做過計(jì)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(tuán)之間的平股合資企業(yè),擁有四個(gè)經(jīng)過美國聯(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)門開啟系統(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(gè)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(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。
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(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,可以優(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,公司提前六個(gè)月完成了Catalyst燃燒室的臺(tái)架試驗(yàn)。
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(xiàng)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(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航空成為了更好的增材制造設(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)。
讓“雷神”翱翔
空中客車集團(tuán)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(shí)中試驗(yàn)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(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)和快速開發(fā)的平臺(tái)。”空客利用增材制造技術(shù)提高了THOR的開發(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(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)證過程中。空客使用的特殊增材制造技術(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(shí)間上都非常苛刻。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(jì)合作,使用人工智能重新設(shè)計(jì)面向其它制造技術(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。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,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(jī)制造商,已開始引入更多金屬進(jìn)行打印。過去五年,公司又開發(fā)出10種金屬,這個(gè)數(shù)量不是很多。人們想確??梢灾圃斐龈哔|(zhì)量的零件,并且總是存在挑戰(zhàn),開發(fā)它們確實(shí)需要時(shí)間。

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EOS M290金屬3D打印機(jī)生產(chǎn)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)
對于EOS,關(guān)鍵的航空航天市場是火箭發(fā)動(dòng)機(jī),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(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)開發(fā)的進(jìn)度,期望在將來制造有效載荷非常大的發(fā)動(dòng)機(jī)。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(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,并且可以對其進(jìn)行一些測試?;鸺袠I(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(shí),每磅就代表數(shù)千美元。

2.jpg圖7 正在激光增材機(jī)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(jī)已進(jìn)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?,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(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(jì)3D打印在未來五年中將取得更多進(jìn)展,它會(huì)被測試、測試并重新測試,增材供應(yīng)鏈實(shí)際上也將在未來五年內(nèi)增長??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,競爭力和市場份額將隨著新應(yīng)用的興起而逐步增長。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(shí)會(huì)帶來巨大的改變。

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