增材制造 助力航天航空业七大突破

<p>　　增材制造（3D打印）从其早期的应用衍变至今，已经走过了30多年的路程。工业级3D打印最普遍的流程是在粉末床上层层堆叠打印，通过电子激光束选择性烧结粉末颗粒，最后成型。</p><p>　　3D打印对制造业中长久存在的批量与范围困境提出了两方面的挑战：首先，它降低了大规模打印对象的成本。一台打印机能同步构建多个不同设计的复杂部件，这样一来，高度集中的工厂生产线就变得无用武之地（进入当地制造业的门槛降低了）。其次，3D打印在相同投资的条件下，增加了设计的多样性。因此，制造复杂的部件、实现生产转型以及个性化定制的成本得以缩减。</p><p align="center"> </p><p>　　与大规模制造行业相比，航天航空业主要集中于复杂的小批量制造，这一行业正努力利用最新最前沿的科技，同时，它也是3D打印行业的主要市场之一，将3D打印视作克服主要挑战的方式，这些挑战包括环境性能限制、高昂的制造成本、竞争激烈的市场环境。</p><p>　　<strong>航天航空业如何从增材制造中获利？</strong></p><p>　　<strong>优化研发流程</strong></p><p>　　3D打印使工程师们能能够更快地设计出原型，并将概念设计转换为实体。3D打印省去了模具制造环节，直接制作出最终成品，从而加速了整个研发生产流程。这样一来，公司就能快速测试多种设计结构，并以此为基础确定顾客偏好、降低产品退回率、缩短产品推向市场的时间。</p><p>　　同样，增材制造在制作模型和小批量生产方面也颇具优势，能在这两方面缩减或节省昂贵又缺乏分摊的模具制造成本。</p><p>　　3D打印通过远程合作能顺利实现众包。随着时间推移，这种模式有可能影响到公司的研发。众包的力量在未来的某个时刻会取代传统的研发方式，成为企业的首要选择。</p><p>　　2013年，美国国防部高级研究计划局申请改善飞机的垂直升降系统。通过3D打印技术，波音不到30天就生产出了对应的模型。这样的一个模型，如果用其它方式制造，动辄耗上几个月。</p><p>　　<strong>复杂部件设计</strong></p><p>　　传统的设计很大程度上会受到生产技术的限制。以往，工程师们设计前，几乎都先考虑铣削、旋转、铸造、锻造和焊接过程的可能性和限制性，一些拓补学优化的设计由于结构复杂无法是生产出来的。</p><p>　　增材制造可以制造出塑料及金属复杂部件，比如钢、铝等。航天航空中已经使用3D打印的Ti-6Al-4V钛合金和718铬镍铁合金来制作部件，这两种材料在几何结构上的灵活变动性很强，为创新设计提供了更广阔的空间。同时，3D打印也使得设计师们可以不用理会传统制造的限制，实现产品性能最大化。</p><p>　　GE航空也在利用增材制造生产涡轮叶片，这些涡轮叶片形状复杂，有利于减少气流阻力。用传统方式制造这些涡轮叶片，则会相当费力耗时。GE计划，到2016年将实现这些涡轮叶片的大批量增材制造。</p><p>　　<strong>设计落地</strong></p><p>　　由于本身赋予了应对高设计难度的特性，增材制造能够将复杂部件转化为组件，实现了减量生产，直接减少了装配的时间与成本。更重要的是，它简化了最终设计模型的改动流程。</p><p>　　理论上说，落实一项设计时，通过焊接或其他方式进行，会损害最终产品的质量和耐用性，因此一般不倾向于组合多个部件。</p><p>　　GE制造出了一体化的燃油喷嘴，这些燃油喷嘴以往通常是由独立的20余个不同部件组合而成。用在通用电气LEAP航空发动机上的3D打印燃油喷嘴，相比传统方法制造的燃油喷嘴来说，耐用性要强5倍。</p><p align="center"> </p><p>　　<strong>LEAP航空发动机燃油喷嘴</strong></p><p>　　<strong>备件生产</strong></p><p>　　有了备件储存，人们可以随时维修飞行器。一般库存都包含小批量的复杂部件、停产的飞行器部件或远程飞行中需要的部件。但调查表明：很多备件往往没有被利用起来，或被弃置在一边。</p><p>　　省掉存储这些备件的麻烦，将意味着一场产业革新，对制造商们来说则意味着成本优势。3D打印通过按需实时制造，或者现场制造，减少了库存及冗余成本。</p><p>　　这样灵活敏捷的生产方式还会大幅减少太空飞行器及空间站的成本。有了3D打印，就可以直接在空间站制造需要的配件和工具，再也不用利用火箭搭载送到太空，也就不会出现延误和成本过高的情况。</p><p>　　英国宇航系统公司得到欧洲航天安全局准允，将其3D打印的窗口通风管用在局部地区的喷气客机上，比传统注射制模工艺节省了60%的成本。一旦有客户需求，就可以3D打印出这些通风管，然后直接运输给客户。</p><p align="center"> </p><p>　　<strong>英国宇航系统公司的3D打印窗口通风管</strong></p><p>　　<strong>产品轻量化</strong></p><p>　　重量是航天飞行器考量的重要标准之一，重量更轻对对航天工业意味着两个方面：其一，有利于减少燃油消耗（以及二氧化碳气体排放）；其二，降低成本、降低票价，从而凸显竞争优势。</p><p>　　太空飞行器同样需要精巧设计的部件来减少包装空间、减轻重量。这些复杂部件通常都是小批量生产，用传统方式制造既昂贵又耗时。</p><p>　　叠层制造技术（ALM）可以帮助打印出具有特定几何形状、拓补结构和网状结构的对象，避免了材料被大量浪费，同时减少航空组件的重量。</p><p>　　欧洲宇航防务集团采用直接金属激光烧结技术（DMLS）3D打印出空客A320的驾驶室铰链托架。它们在保证这些部件的强度和性能的基础上，使其重量减轻了35%-55%，并最终使飞机重量减轻10千克。</p><p align="center"> </p><p>　　<strong>3D打印空客A320铰链托架</strong></p><p>　　对拥有一个600架商业飞机的航天航空公司而言，每一部飞机减轻1千克重量，意味着每年一共可以节省9万公升的燃油，大大削减了燃油开支。而根据2013年的统计，燃油占据了一个航空公司年度支出的35%。此外，每一部飞机减轻1千克重量，还阻绝了230吨的二氧化碳气体排放，对环境保护而言也是个值得一提的数字。</p><p>　　<strong>节省材料</strong></p><p>　　一些航天航空部件的制造使用的是相当昂贵的材料，比如钛合金Ti-6Al-4V和铬镍铁合金718。传统的制造方法很难让这些原材料成形。取决于部件的几何结构，生产过程也许会导致大量材料浪费、浪费钱，还需要耗费精力进行回收。</p><p>　　金属原材料3D打印尽管昂贵，但大大减少了材料浪费。美国洛特希德马丁公司用电子束熔融技术（EBM）制造其排气防漏检测设备，使其BTF 比率（buy-to-fly ratio，即制造一个零部件所需的原材料量与最终零部件中所含材料量的比率）从33:1降至1：1。虽然使用3D打印钛合金比传统锻造工序昂贵，每个排气防漏检测部件的成本却降低了一半，而且机械性能表现一样好。</p><p>　　<strong>在制造过程中同步质检</strong></p><p>　　航天航空业对产品的性能与可靠性有要求严格。理想的金属增材制系统应当包括实时的、封闭的、制造过程中的质量管控。</p><p>　　质量保证通常体现在生产进程的下游，对连续生产至关重要。质量保证在一些部件的交付周期中是关键的一步。但是，对增材制造这种新型流程的质量管控是非常大的挑战。检测复杂形状固然不易，当多个部件组合在一起打印、生产和拆卸时，检测就变得更为困难了。</p><p>　　在制造过程中管控系统设置、处理工艺参数，能保证理想的制造条件。增材制造的机械性能主要指向高材质、高机械性能的冶金和可复检高质部件，这些特性是航天航空业的基本要求。</p><p>　　此外，过程中的质量监控减少了开发生命周期管理中的质检成本，有利于最终缩减单位成本。GE 航空的后续质检时间占了增材制造喷气发动机部件生产时间的25%。在制造过程中同步进行质检，可以加速生产周期。</p><p>　　<strong>展望</strong></p><p>　　航天航空业如今已成为增材制造的最主要需求来源。航天航空的领头羊们已经认识到这项技术的独特优势，并且千方百计要利用这一技术。虽然发展成为快速航空制造中一个成熟的战略性角色还尚待时日，3D打印技术与航天航空在未来无疑会成为一对完美组合。事实上，要实现这一点，还有许多困难需要克服，目前一些攻坚点主要包括打印精度、制造平台产能、材料成本、材料种类以及多材料打印能力等。</p><br />