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打印）從其早期的應(yīng)用衍變至今，已經(jīng)走過了30多年的路程,。工業(yè)級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,。

6 t. M; E( n, J* O) w& w3D打印對制造業(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)模打印對象的成本,。一臺打印機(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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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,。

航天航空業(yè)如何從增材制造中獲利,？
　　
! W: o: l7 {: j1 h+ F: Z優(yōu)化研發(fā)流程
　　
. ~& b% l, U$ J1 |- n* Y3 c! }3D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,，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 /> 2 c1 |$ `9 h5 ?% B　　
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,，美國國防部高級研究計(jì)劃局申請改善飛機(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)出了對應(yīng)的模型,。這樣的一個(gè)模型，如果用其它方式制造,，動輒耗上幾個(gè)月,。
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0 }- k2 P' M4 j3 G. N復(fù)雜部件設(shè)計(jì)
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/ T; h9 u' v. e& X# f& m$ O( X- H# @4 Z傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)很大程度上會受到生產(chǎn)技術(shù)的限制。以往,，工程師們設(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,。
　　
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,。
　　
設(shè)計(jì)落地
　　
由于本身賦予了應(yīng)對高設(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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3 b$ R* `% x5 T' B$ O' ^) u備件生產(chǎn)
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; r' ^; t0 x- R. ~. }( [/ V" }( i0 G' J有了備件儲存，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,。省掉存儲這些備件的麻煩，將意味著一場產(chǎn)業(yè)革新,，對制造商們來說則意味著成本優(yōu)勢,。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,，也就不會出現(xiàn)延誤和成本過高的情況。
　　
4 F; t9 i; c2 [2 G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。
　　
1 J. Q/ Q8 ~" C* Y: Z- v產(chǎn)品輕量化
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0 y! Z6 ^! P1 X; b重量是航天飛行器考量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一,，重量更輕對對航天工業(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,。
　　
3 F, n8 h/ y: y4 E6 h& }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)的對象,，避免了材料被大量浪費(fèi)，同時(shí)減少航空組件的重量,。
　　
( c) c" F1 C6 W8 N: D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,。它們在保證這些部件的強(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,，對環(huán)境保護(hù)而言也是個(gè)值得一提的數(shù)字。
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( O/ p6 I" ]( E  F' [6 S  M節(jié)省材料
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* }' R' |3 U  u" x  b3 K5 `% h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。
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  ^' P! a9 K( S! O7 _/ Q6 d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)排氣防漏檢測部件的成本卻降低了一半,，而且機(jī)械性能表現(xiàn)一樣好,。
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% H/ ?, E- T! h' o6 o, ^: x4 M在制造過程中同步質(zhì)檢
　　
) G+ n/ {! [2 A4 N航天航空業(yè)對產(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。
　　
* ?- I1 p% G6 e5 R4 T# e7 u3 [質(zhì)量保證通常體現(xiàn)在生產(chǎn)進(jìn)程的下游,，對連續(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),，檢測就變得更為困難了。
　　
' v3 \9 q7 p" `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。
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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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展望
　　
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)識到這項(xiàng)技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢,，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成為一對完美組合,。