【科技动态】3D打印即将“起飞”

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航空航天工业一直寻求增材制造以提高效率、减少浪费,成为增材制造早期且热情的采用者。增材制造技术已用于飞行器内部制造支架;已用于打印发动机零件,从而大大减少了组件数量;甚至被用于生产21公斤的无人机,以试验新技术。

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粘合剂喷射增材制造技术公司ExOne认为,由3D打印技术制成的零件通常用于航空航天产品。西科斯基CH-53重型直升机就是一个例子,它使用由ExOne 3D打印工具制成的复合材料空气导管。

这种好处是双向的,航空航天企业的兴趣也鼓励了3D打印的进步。航空航天工业对增材制造的功能有强烈的需求,全世界的大型航空航天制造商都在讲述他们的3D打印故事,它得到了验证,这使人们能够更认真地对待要求更高的应用。

不再有“很多废料”

出于各种原因,航空航天被增材制造所吸引。首先,航空工业广泛使用昂贵的金属,例如钛。在传统的减法制造中,超过90%的材料被去除,从而导致严峻的买飞比(BFT:buy to fly ratio)。3D打印能够实现新形状,这意味着需要制造的零件数量将减少。通过3D打印,材料的浪费也更少。橡树岭国家实验室(ORNL)认为,航空航天产品必须使用大量的钛,会得到很多废料。在切削工具方面钛是残酷的,钛很难加工,增加了停机时间和刀具成本,但钛容易3D打印。

图1 ORNL 3D打印的777X机翼加工工装

图1 ORNL 3D打印的777X机翼加工工装

3D打印也被视为使用较轻材料的一种方式。除钛外,此类材料还包括铝、碳纤维和复合材料。对于某些零件,重量可以减少约一半。轻量化至关重要——东西越重,将其保持在空中所需的能量就越大。航空航天工业愿意为增材制造零件支付溢价,所有的航空航天企业都做过计算,并宣称增材制造是如何提高其竞争力的。

通用电气公司一直是最主要的增材制造采用者之一。CFM是GE航空与法国赛峰集团之间的平股合资企业,拥有四个经过美国联邦航空管理局认证的3D打印零件。它们是用于GE90-94B的T25传感器和CFM LEAP燃油喷嘴头,以及GEnx-2B电动门开启系统(PDOS)支架和GE Passport气-油分离器。

CFM LEAP发动机的燃油喷嘴系统于2015年在阿拉巴马州一家工厂首次投入生产,这是首批因3D打印而广为人知的航空航天系统之一。去年,该工厂生产了第30000个燃油喷嘴头,该工艺也用于GEnx PDOS支架。GE还开发了GE Catalyst,这是一种涡轮螺旋桨发动机,可将855个常规零件组合成12个组件,而GE9X则将300多个常规零件组合成仅7个3D打印组件。GE航空表示已经确认了80多个要使用3D打印的零件。

图2 位于布拉格试验台上的GE Catalyst发动机

图2 位于布拉格试验台上的GE Catalyst发动机

引发根本性的改变

GE航空的增材制造从大量新产品的引入开始,但是已经将重点转移到了降低现有产品成本的基础上。增材制造为GE工程师提供了全新的创造自由度,从根本上改变了他们进行设计的方式。制造成本和设计复杂性之间的范式已经颠覆,使用增材制造,可以优化设计以提高性能。3D打印可以加速零件生产和试验,由于零件产出更快,公司提前六个月完成了Catalyst燃烧室的台架试验。 

图3 位于布拉格GE航空试验设施中上的GE Catalyst发动机

图3 位于布拉格GE航空试验设施中上的GE Catalyst发动机

GE还通过收购德国概念激光公司和瑞典Arcam AB的多数股权,投资了这项技术。随着GE增材制造部门的发展,其业务可以在数小时而不是数月内给出反馈并进行调整。随着公司继续发展增材制造工程和制造能力,这些投资使GE航空成为了更好的增材制造设备供应商。ORNL认为GE为推动3D打印在航空航天领域的发展做出了巨大贡献。

让“雷神”翱翔

空中客车集团是另一家采用3D打印的飞行器制造商。自2015年以来,空客对其“在现实中试验高科技目标”(缩写THOR,即北欧神话中的雷神托尔)小型无人机进行了试飞,它的大约90%的结构组件是由塑性聚酰胺粉末3D打印的。空客公司将THOR描述为“一个在实际飞行条件下实现不同技术的低风险和快速开发的平台。”空客利用增材制造技术提高了THOR的开发速度,花了七个星期的时间打印了60个结构部分,又花了一个星期组装该飞机。 

图4 3D打印无人机THOR进行飞行试验

图4 3D打印无人机THOR进行飞行试验

空客以其他方式扩大了对增材制造的使用。五年前,公司开始使用3D打印或所谓的“添加层制造(ALM)”制造支架。空客表示这是逐步引入ALM技术的长期战略的第一步。在过去五年中,空客逐渐增加了ALM在批量生产和在役飞机中的应用数量。公司已经生产并在空客飞机上安装了7万多个3D打印零件,大多数零件都是用聚合物打印的,但用钛和镍基合金的越来越多。

责任编辑:实习生 张若瑛

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