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为什么要将金属3D打印用于航空航天

国际金属加工网 2023年03月13日

航空航天业无疑是最早应用增材制造(AM)技术的一个行业,它们将增材技术作为轻量化制造零件(在保证强度的条件下优化重量)的一种方式。如今,航空航天业对于增材制造技术的使用只增不减,Strategic Market Research 的一份报告显示,到 2023 年,全球航空航天 3D 打印市场预计将达到 92.3亿美元,复合年增长率为 20.23%。

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尽管在航空航天业聚合物 3D 打印同样发挥着重要作用(尤其是在涉及PEEK 和 PEKK等高性能聚合物时),但金属增材制造在该领域也得到了快速发展。但是,如何能够将金属 3D 打印技术应用到航空航天领域呢?它又能带来什么好处?金属 3D 打印零件如何获得认证?为了回答上面这些问题,南极熊在本期文章中总结了增材制造领域的三位专家对此给出的建议,他们分别是:

  • 第一位专家是 Martin White 博士,他是国际标准组织ASTM International全球先进制造计划部的技术运营总监。White 博士负责监督 ASTM 的所有 3D 打印技术项目,重点关注从资格和认证挑战到材料允许生产的组件,以及加速标准化和提供专家培训。

  • 第二位专家是VELO3D的技术销售工程师 Brian Hawkes,Velo3D是航空航天领域领先的金属 3D 打印公司之一。他在航空航天业工作了大约 10 年,在他总共 20 年的工程师生涯中,他专注于设计热交换器和复杂的制造。

  • 第三位专家是伊顿航空航天公司增材制造总监 Michael York。他是一个项目的负责人,该项目拥有 23 个获奖的金属增材制造组件,涵盖商业航空航天、军事、太空和售后市场应用。

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△马丁·怀特(Martin White)

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△布赖恩霍克斯(Brian Hawkes)

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△迈克尔·约克(Michael York)

金属 3D 打印在航空航天中的应用途径

如前所述,金属 3D 打印因其众多优势早早受到在航空航天领域的青睐,这种技术模式历经多年的发展已经很成熟。预计未来几年这个应用率只会增长,特别是在整个航空航天业都在寻找提高行业可持续性发展方案的情况下。White 博士特别指出,随着设计新组件的需要,未来几年将更多地使用到金属 3D 打印。随着航空航天朝着电气化和氢能源等替代能源的方向发展,这一时代将很快到来。值得注意的是,很可能需要对整个飞机的飞机结构设计进行更改,而增材制造可能是其中的一个关键优势。这些技术以能够创建传统方法无法实现的几何形状而闻名,使用户能够最大限度地提高结构设计、性能和安全性。

此外,还可以使用多种不同的 3D 打印技术。在评论该行业所使用的不同金属增材技术时,White 博士说:“简而言之,所有金属技术都在考虑之中。目标始终是通过有计划地降低成本或提高绩效来实现可持续的业务案例。该行业需要考虑超越组件认证以实现工业化的进展,我们希望在工业化中制造更多的零件。我们看到发动机使用到了粉末床熔融技术的高精度复原功能(即复杂部件),而航空结构通常会应用到定向能量沉积 (DED) 方法的高沉积率和大尺寸能力。“

粘合剂喷射也是一项常用的金属3D打印技术。Mike York 进一步证实了这一点:“在伊顿航空航天公司,我们使用的技术包括激光粉末床熔合(铝、钛、铬镍铁合金和不锈钢)、电子束粉末床熔合(钛)和金属粘合剂喷射(不锈钢)。”

此外,材料也是增材制造过程的关键。Brian Hawkes 解释说:“所使用的材料也因应用场景和使用要求而异。钛具有高强度重量比,这对于航空航天至关重要,因为重量更轻的车辆消耗更少的燃料。镍基高温合金,如铬镍铁合金,由于能够在接近熔点的温度下工作,因此可用于高温环境。铝具有良好的导热性,适用于热交换器等应用。一般来说,通过传统制造方法在航空航天中广泛使用的材料也是增材制造的绝佳候选者。”

但是,一旦选择了工艺并决定了材料,金属 3D 打印在整个航空航天领域就有了许多创新用途。Hawkes 证实了这一点,并评论说:“在高温环境下运行、涉及传热或包含流体通道的组件多为复杂结构件,而增材制造就非常适合制造这种与关键航空发动机部件相关的组件,例如热交换器,叶轮、蜗壳等。”

White博士进一步指出了去年在ICAM 2022 上看到的一些令人印象深刻的应用。这包括终端应用部件。例如,空客目前正在使用增材制造在A350 WXB 的机翼挂架上制造一个支架作为结构部件,而航空航天巨头波音公司则转向使用 Norsk 的 DED 送丝技术来制造波音 787 后舱室支架。后者尤其值得注意,因为它表明由于材料成本和加工时间的减少,购买飞行率降低了 85%。

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△空中客车公司使用金属 3D 打印技术制造的 A350 WXB 上的支架(图片来源:空中客车公司)

航空航天使用金属增材制造的好处和缺点

如前所述,增材制造对航空航天业有许多好处。这些包括但不限于优化设计的能力、轻量化、更快和更便宜的开发应用、消除工具、降低成本,当然还有可持续性。当然,这些好处不仅在航空航天领域可见,而且对该行业至关重要。这也是为什么航空航天仍然是 3D 打印的最大采用者之一的原因。

轻量化带来的好处,能够在减轻零件重量的同时优化强度,这一点体现的尤为重要。来自Velo3D 的 Brian Hawkes 指出:“增材制造能够帮助工程师生产出满足零件设计要求的轻质结构,从而减轻飞机的总重量,同时还具有减少废料的次要好处。” 事实上,Mike York 指出,对于增材制造的零件,重量通常会减轻 20-40%。当考虑到增材制造减少发动机等复杂结构中必要零件数量的能力时,这个数字只会增长。

正如我们过去所见,增材制造作为解决供应链问题的一种方式对整个行业都有好处。Hawkes进一步评论说:“随着供应链的成熟和增材制造的可扩展性得到证实,备件可以很容易地按需生产,减少库存需求,并使零件制造更接近最终用户。维护零件的供应链也可以采用分布式架构,因为可以从不同的供应商处采购相同的零件,而无需花费大量时间来开发新工具。”

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△使用 DED 制造的波音 787 船尾厨房支架。增材制造可用于制造像这样的复杂零件(图片来源:波音)

然而,这并不意味着采用金属 3D 打印并非没有挑战。尤其是安全性仍然是用户在部署新技术时持谨慎态度的一个因素,这是可以理解的。而且,就测试数据而言,与来自铸造或锻造材料的测试和操作经验的巨大存储库相比,增材制造可用的数据要少得多,这使得情况更加恶化。根据 White 博士的说法,这意味着用户必须在风险接纳和创新需求之间徘徊。

值得庆幸的是,这是可以克服的。一个例子是 ASTM 正在通过 AM CoE 的材料数据和标准化联盟缩小数据收集方面的差距。其目标是利用增材制造价值链中 27 个成员的输入创建高质量的数据集。建模和仿真还可以减少所需的测试量,使增材制造在行业中的使用总体上更有把握。

航空航天应用金属 3D 打印部件认证

当然,对于任何希望在航空航天领域采用金属 3D 打印的制造商来说,关键问题之一是零件是否可以通过认证。尽管有可能,但也可能很困难。Brian Hawkes 指出,“目前对航空航天应用的部件进行认证是一项挑战,因为增材制造在航空航天工业中被视为一项相对较新的技术,一些用于认证增材制造部件的标准和指南尚未完全制定。在航空航天工业中,需要一种全面的认证方法。资格认证必须详细说明打印部件的所有方面,包括材料选择、生产验证和测试。但这并不意味着没有希望。尽管面临挑战,但随着当局致力于制定全面的标准和指南,增材制造仍有可能彻底改变航空航天业。“

Martin White 还特别强调,不仅航空零部件需要通过 FAA 或 EASA 等监管机构的认证,而且公司还需要拥有自己的质量保障系统。他解释说,“鉴于需要控制增材制造产品的可变性,必须有一个可以提供资格和认证的基础,即质量管理体系(QMS)。增材制造的质量保证本身就是增材制造的一个大话题,但在最高级别,建议始终是制定计划并坚持计划。基于ASTM/ISO 共识的标准也可以构成航空航天 QMS 以及基于标准的认证的基础。”

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△尽管有限制,公司仍能够使用金属增材制造创建许多经过认证的零件,例如 Velo3D 中的这些示例(图片来源:Velo3D)

Michael York 指出了另一个局限性,特别提到了资格认证的成本:“目前的资格认证成本高于传统成本,但预计它会随着时间的推移而下降,从而更容易获得。”

无论如何,如前所述,即使过程尚不简单,实际上也有可能拥有经过认证的零件。York 解释了他们在伊顿的经历,并指出:“伊顿航空航天公司已经对生产中的商用飞机金属增材制造部件进行了认证。通常,认证过程需要大量的材料和过程统计数据,以证明您已经在特定过程甚至机器的特定序列号上完全表征了特定材料。”

很明显,要标准化和推进金属 3D 打印部件的认证,还有很多工作要做。然而,这当然是可以做到的。像 ASTM International 这样的标准组织在这方面尤其重要。例如,ASTM 有增材制造质量保证高级培训课程。此外,这些组织通常拥有有助于培养个人能力的认证,例如基于 ASTM/ISO 52942 的 ASTM 机器操作员认证,它可以支持在 QMS 中展示操作员能力。此外,它肯定有助于与可能在航空航天领域使用金属 3D 打印经验的公司合作,无论是像 Velo3D 这样的 3D 技术制造商,还是像 Eaton Aerospace 这样经验丰富的航空航天公司。

然而,总的来说,可以肯定地说金属 3D 打印非常适合航空航天领域的各种应用。它有许多明显超过缺点的好处,用户可以在许多不同的过程之间进行选择以获得他们想要的结果。话虽这么说,仍然需要做一些工作来使采用变得更加容易,特别是在认证和资格方面。

专家见解

“你不必一个人做。协作是关键——增材制造联盟非常擅长分享知识和最佳实践。成为标准社区的一部分将提供对最先进技术的一个很好的概述,接下来将解决哪些差距,并直接与同行互动” ——马丁怀特(Martin White)

“增材制造在用于正确的应用时会表现出色,增材制造技术的选择需要符合零件的需求。这应该在项目设计阶段的早期阶段考虑,有时在动笔之前。您越早考虑增材制造的好处,您的最终零件就会越好。如果在设计阶段开始时接受工程师的所有限制,您可能会看到一个有趣的部分,但它的设计是自由的,不会对制造技术做出妥协。” – 布赖恩霍克斯(Brian Hawkes)

“重量和增强性能的重要性使 AM 成为理想的解决方案。再加上航空航天部件的成本相对较高,以及增材制造相对于铸件质量的提高,你就有了实施增材制造的可靠商业案例。” – 迈克·伊顿(Mike Eaton)

(南极熊3D打印)

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