3D打印助力航天航空業(yè)七大突破

寂靜天花板

增材制造（3D打?。钠湓缙诘膽?yīng)用衍變至今，已經(jīng)走過了30多年的路程。工業(yè)級(jí)3D打印最普遍的流程是在粉末床上層層堆疊打印，通過電子激光束選擇性燒結(jié)粉末顆粒，最后成型。

3D打印對(duì)制造業(yè)中長久存在的批量與范圍困境提出了兩方面的挑戰(zhàn)：首先，它降低了大規(guī)模打印對(duì)象的成本。一臺(tái)打印機(jī)能同步構(gòu)建多個(gè)不同設(shè)計(jì)的復(fù)雜部件，這樣一來，高度集中的工廠生產(chǎn)線就變得無用武之地（進(jìn)入當(dāng)?shù)刂圃鞓I(yè)的門檻降低了）。其次，3D打印在相同投資的條件下，增加了設(shè)計(jì)的多樣性。因此，制造復(fù)雜的部件、實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)轉(zhuǎn)型以及個(gè)性化定制的成本得以縮減。
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' P8 R# Q, H7 ^0 O+ p& F5 ]" ~與大規(guī)模制造行業(yè)相比，航天航空業(yè)主要集中于復(fù)雜的小批量制造，這一行業(yè)正努力利用最新最前沿的科技，同時(shí)，它也是3D打印行業(yè)的主要市場之一，將3D打印視作克服主要挑戰(zhàn)的方式，這些挑戰(zhàn)包括環(huán)境性能限制、高昂的制造成本、競爭激烈的市場環(huán)境。
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航天航空業(yè)如何從增材制造中獲利？
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優(yōu)化研發(fā)流程
　　
& W) R! s  ^5 k9 @5 g8 n3 e$ A3D打印使工程師們能能夠更快地設(shè)計(jì)出原型，并將概念設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為實(shí)體。3D打印省去了模具制造環(huán)節(jié)，直接制作出最終成品，從而加速了整個(gè)研發(fā)生產(chǎn)流程。這樣一來，公司就能快速測(cè)試多種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，并以此為基礎(chǔ)確定顧客偏好、降低產(chǎn)品退回率、縮短產(chǎn)品推向市場的時(shí)間。
　　
同樣，增材制造在制作模型和小批量生產(chǎn)方面也頗具優(yōu)勢(shì)，能在這兩方面縮減或節(jié)省昂貴又缺乏分?jǐn)偟哪＞咧圃斐杀尽?br /> ) f* H2 d3 ?$ ?( `' [4 p- x; J　　
3D打印通過遠(yuǎn)程合作能順利實(shí)現(xiàn)眾包。隨著時(shí)間推移，這種模式有可能影響到公司的研發(fā)。眾包的力量在未來的某個(gè)時(shí)刻會(huì)取代傳統(tǒng)的研發(fā)方式，成為企業(yè)的首要選擇。2013年，美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局申請(qǐng)改善飛機(jī)的垂直升降系統(tǒng)。通過3D打印技術(shù)，波音不到30天就生產(chǎn)出了對(duì)應(yīng)的模型。這樣的一個(gè)模型，如果用其它方式制造，動(dòng)輒耗上幾個(gè)月。
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- t. A- ~8 i8 ~0 ~復(fù)雜部件設(shè)計(jì)
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  [. h  g2 ?2 G* A) l傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)很大程度上會(huì)受到生產(chǎn)技術(shù)的限制。以往，工程師們?cè)O(shè)計(jì)前，幾乎都先考慮銑削、旋轉(zhuǎn)、鑄造、鍛造和焊接過程的可能性和限制性，一些拓補(bǔ)學(xué)優(yōu)化的設(shè)計(jì)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜無法是生產(chǎn)出來的。
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5 W: _' |7 x( p: J增材制造可以制造出塑料及金屬復(fù)雜部件，比如鋼、鋁等。航天航空中已經(jīng)使用3D打印的Ti-6Al-4V鈦合金和718鉻鎳鐵合金來制作部件，這兩種材料在幾何結(jié)構(gòu)上的靈活變動(dòng)性很強(qiáng)，為創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了更廣闊的空間。同時(shí)，3D打印也使得設(shè)計(jì)師們可以不用理會(huì)傳統(tǒng)制造的限制，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能最大化。GE航空也在利用增材制造生產(chǎn)渦輪葉片，這些渦輪葉片形狀復(fù)雜，有利于減少氣流阻力。用傳統(tǒng)方式制造這些渦輪葉片，則會(huì)相當(dāng)費(fèi)力耗時(shí)。GE計(jì)劃，到2016年將實(shí)現(xiàn)這些渦輪葉片的大批量增材制造。
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2 Q# l; z; v( S3 Z& Q: g設(shè)計(jì)落地
　　
由于本身賦予了應(yīng)對(duì)高設(shè)計(jì)難度的特性，增材制造能夠?qū)?fù)雜部件轉(zhuǎn)化為組件，實(shí)現(xiàn)了減量生產(chǎn)，直接減少了裝配的時(shí)間與成本。更重要的是，它簡化了最終設(shè)計(jì)模型的改動(dòng)流程。理論上說，落實(shí)一項(xiàng)設(shè)計(jì)時(shí)，通過焊接或其他方式進(jìn)行，會(huì)損害最終產(chǎn)品的質(zhì)量和耐用性，因此一般不傾向于組合多個(gè)部件。GE制造出了一體化的燃油噴嘴，這些燃油噴嘴以往通常是由獨(dú)立的20余個(gè)不同部件組合而成。用在通用電氣LEAP航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的3D打印燃油噴嘴，相比傳統(tǒng)方法制造的燃油噴嘴來說，耐用性要強(qiáng)5倍。
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4 M* K( f! j. W0 u0 u9 \備件生產(chǎn)
　　
有了備件儲(chǔ)存，人們可以隨時(shí)維修飛行器。一般庫存都包含小批量的復(fù)雜部件、停產(chǎn)的飛行器部件或遠(yuǎn)程飛行中需要的部件。但調(diào)查表明：很多備件往往沒有被利用起來，或被棄置在一邊。省掉存儲(chǔ)這些備件的麻煩，將意味著一場產(chǎn)業(yè)革新，對(duì)制造商們來說則意味著成本優(yōu)勢(shì)。3D打印通過按需實(shí)時(shí)制造，或者現(xiàn)場制造，減少了庫存及冗余成本。這樣靈活敏捷的生產(chǎn)方式還會(huì)大幅減少太空飛行器及空間站的成本。有了3D打印，就可以直接在空間站制造需要的配件和工具，再也不用利用火箭搭載送到太空，也就不會(huì)出現(xiàn)延誤和成本過高的情況。
　　
8 V% q0 J8 s6 Q1 v) `英國宇航系統(tǒng)公司得到歐洲航天安全局準(zhǔn)允，將其3D打印的窗口通風(fēng)管用在局部地區(qū)的噴氣客機(jī)上，比傳統(tǒng)注射制模工藝節(jié)省了60%的成本。一旦有客戶需求，就可以3D打印出這些通風(fēng)管，然后直接運(yùn)輸給客戶。
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產(chǎn)品輕量化

, E2 F+ F. a3 n5 X; v) J重量是航天飛行器考量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，重量更輕對(duì)對(duì)航天工業(yè)意味著兩個(gè)方面：其一，有利于減少燃油消耗（以及二氧化碳?xì)怏w排放）；其二，降低成本、降低票價(jià)，從而凸顯競爭優(yōu)勢(shì)。
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7 p$ C+ P$ z6 h3 V- P- ]太空飛行器同樣需要精巧設(shè)計(jì)的部件來減少包裝空間、減輕重量。這些復(fù)雜部件通常都是小批量生產(chǎn)，用傳統(tǒng)方式制造既昂貴又耗時(shí)。疊層制造技術(shù)（ALM）可以幫助打印出具有特定幾何形狀、拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的對(duì)象，避免了材料被大量浪費(fèi)，同時(shí)減少航空組件的重量。
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歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)采用直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)（DMLS）3D打印出空客A320的駕駛室鉸鏈托架。它們?cè)诒ＷC這些部件的強(qiáng)度和性能的基礎(chǔ)上，使其重量減輕了35%-55%，并最終使飛機(jī)重量減輕10千克。
　　 　　
對(duì)擁有一個(gè)600架商業(yè)飛機(jī)的航天航空公司而言，每一部飛機(jī)減輕1千克重量，意味著每年一共可以節(jié)省9萬公升的燃油，大大削減了燃油開支。而根據(jù)2013年的統(tǒng)計(jì)，燃油占據(jù)了一個(gè)航空公司年度支出的35%。此外，每一部飛機(jī)減輕1千克重量，還阻絕了230噸的二氧化碳?xì)怏w排放，對(duì)環(huán)境保護(hù)而言也是個(gè)值得一提的數(shù)字。
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節(jié)省材料
　　
一些航天航空部件的制造使用的是相當(dāng)昂貴的材料，比如鈦合金Ti-6Al-4V和鉻鎳鐵合金718。傳統(tǒng)的制造方法很難讓這些原材料成形。取決于部件的幾何結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)過程也許會(huì)導(dǎo)致大量材料浪費(fèi)、浪費(fèi)錢，還需要耗費(fèi)精力進(jìn)行回收。
　　
金屬原材料3D打印盡管昂貴，但大大減少了材料浪費(fèi)。美國洛特希德馬丁公司用電子束熔融技術(shù)（EBM）制造其排氣防漏檢測(cè)設(shè)備，使其BTF 比率（buy-to-fly ratio，即制造一個(gè)零部件所需的原材料量與最終零部件中所含材料量的比率）從33:1降至1：1。雖然使用3D打印鈦合金比傳統(tǒng)鍛造工序昂貴，每個(gè)排氣防漏檢測(cè)部件的成本卻降低了一半，而且機(jī)械性能表現(xiàn)一樣好。
　　
在制造過程中同步質(zhì)檢
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9 t: E$ m  A7 g$ U1 Q) h( }0 @航天航空業(yè)對(duì)產(chǎn)品的性能與可靠性有要求嚴(yán)格。理想的金屬增材制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包括實(shí)時(shí)的、封閉的、制造過程中的質(zhì)量管控。
　　
質(zhì)量保證通常體現(xiàn)在生產(chǎn)進(jìn)程的下游，對(duì)連續(xù)生產(chǎn)至關(guān)重要。質(zhì)量保證在一些部件的交付周期中是關(guān)鍵的一步。但是，對(duì)增材制造這種新型流程的質(zhì)量管控是非常大的挑戰(zhàn)。檢測(cè)復(fù)雜形狀固然不易，當(dāng)多個(gè)部件組合在一起打印、生產(chǎn)和拆卸時(shí)，檢測(cè)就變得更為困難了。
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在制造過程中管控系統(tǒng)設(shè)置、處理工藝參數(shù)，能保證理想的制造條件。增材制造的機(jī)械性能主要指向高材質(zhì)、高機(jī)械性能的冶金和可復(fù)檢高質(zhì)部件，這些特性是航天航空業(yè)的基本要求。
　　
% x- }: x) t9 Q" N4 a% e此外，過程中的質(zhì)量監(jiān)控減少了開發(fā)生命周期管理中的質(zhì)檢成本，有利于最終縮減單位成本。GE 航空的后續(xù)質(zhì)檢時(shí)間占了增材制造噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)部件生產(chǎn)時(shí)間的25%。在制造過程中同步進(jìn)行質(zhì)檢，可以加速生產(chǎn)周期。
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5 w6 g6 j. X* `8 g5 ^3 F* \1 [; J展望
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航天航空業(yè)如今已成為增材制造的最主要需求來源。航天航空的領(lǐng)頭羊們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這項(xiàng)技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，并且千方百計(jì)要利用這一技術(shù)。雖然發(fā)展成為快速航空制造中一個(gè)成熟的戰(zhàn)略性角色還尚待時(shí)日，3D打印技術(shù)與航天航空在未來無疑會(huì)成為一對(duì)完美組合。