当航空制造业遇上3D打印

【编者按】随着3D打印技术逐步向实际使用阶段过渡,它将为航空创造业带来哪些变革呢?当记者拿出一张“3D打印玩偶”的照片给维尔·贝克看的时候,他带着一个工程师的严谨和认真微笑着说:“It’s different(它们是不同的)。”作为霍尼韦尔航空航天集团先进科技的首席工程师,维尔·贝克一直专注于3D打印技术在航空制造技术应用方面的研究。


事实上,当“3D打印”已经成为一个热词,流行于人们日常生活的很多领域时,对于其在航空制造技术上的应用,业内人士却始终慎之又慎。

它的技术门槛之高以及精密和复杂程度远远超过人们的想象。维尔·贝克告诉记者,目前霍尼韦尔航空航天集团通过3D打印技术制造的民机发动机零件并没有真正投入现实生产,仍在测试阶段。

根据业内媒体的报道,目前,也只有GE正尝试将选择性激光熔化技术(3D打印技术的一种)应用于其下一代Leap发动机供油喷嘴的批量化制造。

“但10年之后,3D打印技术或许会改变整个航空制造业。”维尔·贝克说。

3D打印渗入航空业

事实上,3D打印技术出现在20世纪90年代中期,实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同,打印机内装有液体或粉末等“打印材料”,与电脑连接后,通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。

这种技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车,航空航天、牙科医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。对于航空航天领域来说,3D打印仍然是一项非常前沿的制造技术,近几年,全球领先的航空制造企业开始逐渐涉足这一技术领域的研究。

维尔·贝克告诉记者,霍尼韦尔航空航天集团是从2010年进入该领域的,已经拥有了4年的研究经验。目前,霍尼韦尔已经成功地将利用3D打印技术生产出的单晶铸件装配在了其TFE731-60型发动机的涡轮叶片上,这款发动机在为达索旗下的猎鹰900公务机提供动力。

现在,与高校合作成为了制造商进行3D打印技术研究的共同模式。霍尼韦尔航空航天集团就与美国的4所大学签署了秘密的合作协议。当然,包括波音、空客等民机整机制造商也都选择了与大学进行合作,进行3D打印技术的研究。

“总体来说,目前航空业界都正在对3D打印技术直接制造的金属零件,按照飞机和发动机的设计要求进行全面的测试和验证,以及针对3D打印技术进行设计方的优化。”西北工业大学凝固技术国家重点实验室副主任林鑫告诉记者。

值得一提的是,中国也已参与到该技术的研究中来。今年3月14日,空客与林鑫所在的西北工业大学在西安签署了合作协议,共同探索3D打印技术在航空领域的应用。该项目重点研究激光3D打印技术在飞机部件制造中一次打印成型、减少加工余量以及材料在成型过程中变形等难题。西北工业大学凝固技术国家重点实验室将承担样件制造,空客将承担样件的测量和评估工作。

满足航空制造技术未来需求

在霍尼韦尔航空航天集团组织的国际媒体日上,一些通过3D打印技术生产的发动机零件样品被维尔·贝克带到了展示现场,它们看上去并不起眼,很多甚至不足一枚硬币的大小。

据了解,霍尼韦尔航空航天集团在3D打印技术领域的研究包括直接金属激光烧结、电子束熔化成型、叠层实体制造技术等。

业内人士公认,3D打印技术在航空制造领域的诸多优势,尤其是在设计自主性和环保方面的优势,满足了航空业可持续发展的最终目标。

据维尔·贝克介绍,这些技术可以帮助航空制造商减少工装模具的使用,在生产少量样件时,设计也可以更加灵活,这使得生产零部件的固定投入成本大幅下降。例如,用3D打印技术生产的燃烧室保护罩就可以降低40%的成本。

此外,通过该技术,还可以减轻零件的重量,这直接关系到飞机的燃油经济性。过去,对于大型复杂构件,制造商用传统工艺无法完成,就拆为几个件做,然后再进行组合。如今3D打印可以实现零部件一次成型,这不仅增加了零部件的强度,同时也减轻了零部件的重量。

维尔·贝克还告诉记者,这些好处综合起来,可以让研发过程更加高效。“过去通过传统工艺研制涡轮叶片的样件需要3年的时间,而如果采用了3D打印技术则仅需短短9周,与过去相比,为整个供应链节约了70%的时间”。

同时,空客也将3D打印技术作为飞机备件解决方案的一部分。记者从空客了解到,站在整机制造商的角度来看,3D打印技术是用来制造目前已经停产,但是仍然有市场需求的飞机零部件的最具成本效益的理想技术。采用3D打印技术进行飞机零部件制造,将大大降低制造、维修以及运营的成本,并更好地保护环境。

确保技术成熟可靠

尽管技术门槛非常高,但是,如今3D打印在航空制造业的研究已经开始由最初的实验室阶段逐步向实际使用阶段过渡。“但量产时的一致性和稳定性仍有待进一步提升。”林鑫说。

不久前,有报道称GE航空与斯奈克玛合作,采用选区激光熔化技术已经开始生产发动机喷油嘴,并准备最晚在2016年开始全速生产,以每台LEAP发动机需要10个~20个喷油嘴计算,GE每年将需要制造约25000个喷油嘴。林鑫告诉记者:“GE这个喷油嘴原来是采用十几个零件整体焊接而成,采用3D打印技术后,GE发现生产周期显着缩短,制造成本显着降低,而且可靠性显着提高。”

与竞争对手GE更为积极的态度相比,霍尼韦尔航空航天集团对该技术的实际应用则显得异常审慎。目前,霍尼韦尔航空航天集团通过3D打印生产的零部件仍然只是用于适航取证的测试件,并未投入实际生产中。

维尔·贝克还告诉记者,事实上,在航空制造领域,短时间内,3D打印技术还无法完全替代传统的制造工艺。3D打印用于大规模量产至少要在10年之后。“我们希望从风险最低的、小的零部件开始,逐步推进,并以最安全的方式进入到生产阶段”。

空客也表达了相同的观点,对于新技术的应用,他们提倡循序渐进地开发和使用,无论是原料、工艺还是系统方面,都要经过严格的验证,在被确认为是成熟的且具有长期利用价值后才会投入应用。

“其实,技术上已经没有问题了,但我们会更加谨慎,必须一遍又一遍地去测试,因为我们需要确保万无一失。” 维尔·贝克说。

3D打印将为航空制造业带来哪些变革?

第一,加速新型航空航天器的研发。金属3D打印高性能增材制造技术摆脱了模具制造这一显着延长研发时间的关键技术环节,兼顾高精度、高性能、高柔性,可以快速制造结构十分复杂的金属零件,为先进航空航天器的快速研发提供了有力的技术手段。

第二,显着减轻结构重量。减轻结构重量是航空航天器最重要的技术需求,传统制造技术已经被发挥到接近极限,难以再有更大的作为。而金属3D打印高性能增材制造技术则可以在获得同样性能或更高性能的前提下,通过最优化的结构设计来显着减轻金属结构件的重量。

第三,显着节约昂贵的战略金属材料。航空航天器由于对高性能的需求,需要大量使用钛合金和镍基超合金等昂贵的高性能、难加工的金属材料。但很多零件的材料利用率非常低,一般低10%,有时甚至于仅为2%~5%。大量昂贵的金属材料变成了难以再利用的废屑,同时伴随着极大的机械加工量。作为一种高性能近净成型技术,金属3D打印高性能增材制造技术可以把高性能金属零件制造的材料利用率提高到60%~95%,甚至更高,同时也就显着减少了机械加工量。

第四,制造一些过去无法实现的功能结构,包括:最合理的应力分布结构;通过最合理的复杂内流道结构实现最理想的温度控制手段;通过合理的结构设计和材料分布实现振动频率特征的调控,避免危险的共振效应;通过多材料任意复合实现一个零件的不同部位分别满足不同的技术需求等。

第五,通过激光组合制造技术改造提升传统制造技术,使铸造、锻造和机械加工等传统制造技术手段更好地发挥作用。激光立体成型技术可以实现异质材料的高性能结合,从而可以在通过铸造、锻造和机械加工等传统技术制造出来的零件上任意添加精细结构,并且使其具有与整体制造相当的力学性能。这就可以把增材制造技术成型复杂精细结构的优势与传统制造技术高效率、低成本的优势结合起来,形成最佳的制造策略。


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