空客在未來用3D打印制造飛機(jī)的四大切入點

航空巨頭空客已經(jīng)是研究和應(yīng)用3D打印技術(shù)的行家了。在這方面，他們既有已經(jīng)成為了現(xiàn)實的作品，又有著許多關(guān)于未來的設(shè)想。

在這些設(shè)想中，空客未來的飛機(jī)將會大量采用仿生結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)仿能實現(xiàn)力量與材料分布的完美結(jié)合，令光線充滿整個飛機(jī)內(nèi)部空間。如此一來，乘客可以向外面的世界觀看全景，智能座位還會敏銳感知到乘客的姿勢，從而自動調(diào)整角度以提供最佳的舒適度，乘客如同沉浸在溫柔的海風(fēng)或松樹林的軟香中進(jìn)入完美的睡眠。

另外對于VIP乘客來說，他們還可以將座位變成辦公設(shè)施，或者是一張床，如同在家里一樣享受私密的空間。

在到達(dá)目的地降落后，或許你還可以直接乘坐自己的小私人旅行艙式飛機(jī)從大飛機(jī)中駛出來，直接進(jìn)行下一站的旅行，而要實現(xiàn)這些想法，3D打印必定將發(fā)揮重要的左。

空客（Airbus）的機(jī)艙設(shè)計師巴斯蒂安·謝弗（Bastian Schafer）過去兩年來一直致力于一款概念飛機(jī)，這架飛機(jī)將完全由一臺有飛機(jī)庫那樣大的巨型3D打印機(jī)打造。 這聽起來像癡人說夢，因為如今最大的3D打印機(jī)不過餐桌那么大。但是謝弗的設(shè)計是有規(guī)劃的：從現(xiàn)在用3D打印技術(shù)制造一些小部件，到2050年左右造出整個飛機(jī)——整個路線清晰可見。而之前，3D科學(xué)谷整理的3D打印對航空航天業(yè)的影響中也提示過，3D打印在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用將走向四維打印。



切入點1：仿生結(jié)構(gòu)

仿生結(jié)構(gòu)帶來材料使用率和力學(xué)性能的良好結(jié)合，這就是為什么增材制造會走進(jìn)工廠，是增材制造的價值所在。

3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)制造方法相比可使各部件的重量輕65%�？湛偷母拍铒w機(jī)極為復(fù)雜，需要各種全新的制造方法：從弧形機(jī)身到仿生結(jié)構(gòu)，再到能讓乘客一覽藍(lán)天白云的透明蒙皮。

空客概念飛機(jī)的仿生結(jié)構(gòu)所需要的某些材料目前尚不可用，例如用于機(jī)身的、牢固且透明的鋁、某些生物高分子材料以及其他由碳納米管加固的材料。只在該堅固的地方堅固，或者只在該輕盈的地方輕盈

切入點2：輕量化

輕量化與仿生結(jié)構(gòu)可以說是密切相關(guān)的。采用金屬激光熔融技術(shù)可制造出極為精細(xì)的結(jié)構(gòu)，甚至是骨狀的，也就是多孔的結(jié)構(gòu)。在未來的飛機(jī)設(shè)計中，部件將能夠有針對性地吸收力線，同時又符合輕量化要求，更耐久、節(jié)約資源、這將改善當(dāng)前航空航天業(yè)的成本結(jié)構(gòu)。飛機(jī)零件在銑削過程中會產(chǎn)生高達(dá) 95% 的可回收廢料。而采用激光熔融技術(shù)，操作者不僅可得到“接近最終輪廓的部件”，且廢料只有約 5%。尤其對于像鈦這樣的高級且昂貴的飛機(jī)制造材料的節(jié)約，增材制造技術(shù)更具吸引力。無模具的制造方法節(jié)約了時間，改善了成本結(jié)構(gòu)，有針對性的能源投入和節(jié)約資源是激光熔融技術(shù)的一大特點。

此外，激光增材制造方法還可提供比常規(guī)制造方法更高的造型自由度。像制作凹槽和內(nèi)部的通道，例如冷卻通道。在航空工業(yè)中，飛機(jī)制造商已經(jīng)在考慮用該工藝生產(chǎn)電子設(shè)備的冷卻元件和智能的液壓部件。激光熔融技術(shù)首次將幾何結(jié)構(gòu)與功能性聯(lián)系在一起，依然成為目前最吸人眼球的技術(shù)。該技術(shù)可以讓部件內(nèi)的能量通量在 CAD 設(shè)計階段就能夠非常精確地確定�？偟膩碚f，利用激光熔融技術(shù)能夠開發(fā)出的安全性部件，比今天的部件更好、更輕且壽命更長。激光增材制造的材料具有更高的強度，雖然延展性較低，但經(jīng)過正確的熱處理之后，還是可將其重新提升。

空客位于德國的航空制造廠Premium Aerotec公司啟動了其用于3D打印鈦飛機(jī)部件的SLM粉末床選擇性激光熔化設(shè)備，開始生產(chǎn)金屬3D打印零件。


切入點3：部分替代鍛造

鍛造技術(shù)在航空制造領(lǐng)域已應(yīng)用多年，主要用于制造飛機(jī)、發(fā)動機(jī)承受交變載荷和集中載荷的關(guān)鍵和重要零件。飛機(jī)上鍛件制成的零件重量約占飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的20%~35%和發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)重量的30%~45%，隨著航空產(chǎn)業(yè)不斷的發(fā)展，鍛造技術(shù)的瓶頸已逐漸顯現(xiàn)，一方面是滿足在大型復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)件和精密復(fù)雜構(gòu)件的制造方面顯現(xiàn)出技術(shù)的靈活性不足。另一方面，鍛造的結(jié)構(gòu)工件在隨后的機(jī)加工過程中材料去除率達(dá)到70％之多，對于鈦合金這樣昂貴的材料來說浪費大。

金屬3D打印技術(shù)特點突出，無需模具的自由近凈成形，且全數(shù)字化、高柔性，打印的零件材質(zhì)全致密、沒有宏觀偏析和縮松，具有較高的性能等都帶來代替航空領(lǐng)域鍛造技術(shù)的可能。

空客位于德國的航空制造廠Premium Aerotec就采用了Norsk Titanium（挪威鈦）的快速等離子沉積™技術(shù)，通過該技術(shù)來生產(chǎn)A350 XWB飛機(jī)上的鈦合金零件。除了挪威鈦的快速等離子沉積技術(shù)，EBAM電子束融化焊接比鍛造也能節(jié)約50％的材料去除需求。這兩種3D打印工藝對于完成后期加工任務(wù)的機(jī)床來說，更少的材料去除需求也意味著更少的刀具、冷卻液消耗，更快的加工時間，以及更快的設(shè)備投資回收周期。


切入點4：4D打印

空客未來飛機(jī)的視頻中，飛機(jī)的翅膀可以像鳥類一樣煽動。至于視頻中如何實現(xiàn)飛機(jī)翅膀的煽動，3D科學(xué)谷并不知道是不是4D打印的原因。然而，有一點是肯定的，那就是4D打印將被用于航空航天領(lǐng)域。

之前，來自德國Freiberg的研發(fā)團(tuán)隊就研發(fā)出面向未來的高性能材料：記憶性材料，可以自行愈合裂隙或回復(fù)原狀�？茖W(xué)家通過電子束熔融的制造方法來生產(chǎn)帶記憶功能的零件，這就像彈力回形針，如果受到歪曲，把它放到熱水里面，就像被施了魔法，跳回到原來的樣子。最新研發(fā)的材料從這個項目可以用于汽車制造和航空航天制造業(yè)來滿足特殊的要求。在航空航天領(lǐng)域，可以用來調(diào)整機(jī)翼結(jié)構(gòu)以適應(yīng)不同的飛行情況。

而麻省理工亦研究出可控的表面紋理變化4D打印技術(shù)產(chǎn)品，這些產(chǎn)品具有間歇性和隨機(jī)性的豐富多樣的表面特征變化，包括可變波、折皺狀的特征、平頂、谷底等，可以通過改變顆粒的無因次幾何參數(shù)（例如，相對的顆粒大小、形狀、間距和分布等）來獲得。這些表面特征可以通過顆粒定位來實現(xiàn)變量可控。

延伸閱讀：《3D打印仿生學(xué)合金結(jié)構(gòu)助空客A320成功"瘦身"》

來源：3D科學(xué)谷