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公司新聞

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,成為增材制造早期且熱情的采用者。增材制造技術(shù)已用于飛行器內部制造支架;已用于打印發(fā)動(dòng)機零件,從而大大減少了組件數量;甚至被用于生產(chǎn)21公斤的無(wú)人機,以試驗新技術(shù)。
粘合劑噴射增材制造技術(shù)公司ExOne認為,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重型直升機就是一個(gè)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(yè)的興趣也鼓勵了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(yè)廣泛使用昂貴的金屬,例如鈦。在傳統的減法制造中,超過(guò)90%的材料被去除,從而導致嚴峻的買(mǎi)飛比(BFT:buy to fly ratio)。3D打印能夠實(shí)現新形狀,這意味著(zhù)需要制造的零件數量將減少。通過(guò)3D打印,材料的浪費也更少。橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室(ORNL)認為,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(guò)計算,并宣稱(chēng)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(yè),擁有四個(gè)經(jīng)過(guò)美國聯(lián)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(dòng)門(mén)開(kāi)啟系統(PDOS)支架和GE Passport氣-油分離器。
CFM LEAP發(fā)動(dòng)機的燃油噴嘴系統于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,可將855個(gè)常規零件組合成12個(gè)組件,而GE9X則將300多個(gè)常規零件組合成僅7個(gè)3D打印組件。GE航空表示已經(jīng)確認了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(kāi)始,但是已經(jīng)將重點(diǎn)轉移到了降低現有產(chǎn)品成本的基礎上。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)行設計的方式。制造成本和設計復雜性之間的范式已經(jīng)顛覆,使用增材制造,可以?xún)?yōu)化設計以提高性能。3D打印可以加速零件生產(chǎn)和試驗,由于零件產(chǎn)出更快,公司提前六個(gè)月完成了Catalyst燃燒室的臺架試驗。
GE還通過(guò)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(shù)。隨著(zhù)GE增材制造部門(mén)的發(fā)展,其業(yè)務(wù)可以在數小時(shí)而不是數月內給出反饋并進(jìn)行調整。隨著(zhù)公司繼續發(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備供應商。ORNL認為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。
讓“雷神”翱翔
空中客車(chē)集團是另一家采用3D打印的飛行器制造商。自2015年以來(lái),空客對其“在現實(shí)中試驗高科技目標”(縮寫(xiě)THOR,即北歐神話(huà)中的雷神托爾)小型無(wú)人機進(jìn)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??湛凸緦HOR描述為“一個(gè)在實(shí)際飛行條件下實(shí)現不同技術(shù)的低風(fēng)險和快速開(kāi)發(fā)的平臺?!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)結構部分,又花了一個(gè)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(kāi)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(cháng)期戰略的第一步。在過(guò)去五年中,空客逐漸增加了ALM在批量生產(chǎn)和在役飛機中的應用數量。公司已經(jīng)生產(chǎn)并在空客飛機上安裝了7萬(wàn)多個(gè)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(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(guò)程中??湛褪褂玫奶厥庠霾闹圃旒夹g(shù),包括細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,空客對可用于3D打印的材料數量感到滿(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)是在確認了價(jià)值創(chuàng )造機遇的幾種知名金屬合金上引入該技術(shù)。
空客正在與Autodesk的生成設計合作,使用人工智能重新設計面向其它制造技術(shù)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(kāi)。該隔板比常規制造的隔板輕約45%,空客打算為A320飛機生產(chǎn)該隔板。不過(guò),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(yōu)點(diǎn)。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(jīng)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(gè)版本正在認證過(guò)程中。
航空航天迎來(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的工業(yè)3D打印機制造商,已開(kāi)始引入更多金屬進(jìn)行打印。過(guò)去五年,公司又開(kāi)發(fā)出10種金屬,這個(gè)數量不是很多。人們想確??梢灾圃斐龈哔|(zhì)量的零件,并且總是存在挑戰,開(kāi)發(fā)它們確實(shí)需要時(shí)間。

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EOS M290金屬3D打印機生產(chǎn)的火箭發(fā)動(dòng)機
對于EOS,關(guān)鍵的航空航天市場(chǎng)是火箭發(fā)動(dòng)機,客戶(hù)之一是2017年成立的Launcher,致力于研發(fā)用于發(fā)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(fā)動(dòng)機的點(diǎn)火性能。EOS已經(jīng)與Launcher一起研究了發(fā)動(dòng)機開(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。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)星期內完成設計,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)現在看起來(lái)非常令人興奮。
減輕每一磅都很重要
另一位EOS客戶(hù)能夠通過(guò)3D打印減輕重量。他們把裝在衛星內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。那也許不超過(guò)一兩磅,但是當你談?wù)撚行лd荷時(shí),每磅就代表數千美元。

2.jpg圖7 正在激光增材機床中生產(chǎn)的零件
ExOne在航空航天領(lǐng)域也很活躍。自2002年以來(lái),ExOne的Sand 3D打印機已進(jìn)入包括航空航天在內的工業(yè)市場(chǎng),它們制造用于金屬鑄造的型芯?,F在設計一個(gè)模具、獲得一個(gè)好零件的時(shí)間已經(jīng)能夠從數周和數月大幅減少到數天或數小時(shí)。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(chǎng)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合材料(包括碳纖維和玻璃纖維復合材料)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(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雜的鑄件,ExOne與西科斯基做了很多工作。
預計3D打印在未來(lái)五年中將取得更多進(jìn)展,它會(huì )被測試、測試并重新測試,增材供應鏈實(shí)際上也將在未來(lái)五年內增長(cháng)??湛捅硎緦⒆裱溆媱?,并逐步擴大應用領(lǐng)域和相關(guān)的價(jià)值創(chuàng )造機遇。與傳統技術(shù)相比,競爭力和市場(chǎng)份額將隨著(zhù)新應用的興起而逐步增長(cháng)。ORNL認為3D打印在航空航天領(lǐng)域會(huì )越做越大,大型結構組件是一些公司已經(jīng)開(kāi)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(lái)巨大的改變。

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