美國飛機(jī)巨頭波音的3D打印之路

作為在3D打印領(lǐng)域發(fā)揮主導(dǎo)作用的制造商，波音公司不僅僅是推動3D打印技術(shù)與應(yīng)用端深度結(jié)合的踐行者，還對增材制造如何在制造價值鏈中發(fā)揮作用具備自己的關(guān)鍵洞察力。

與洛克希德·馬�。↙ockheed Martin）同為聯(lián)邦政府的兩大承包商，波音公司在2015年獲得了超過160億美元的訂單。在這些訂單的執(zhí)行過程中，3D打印正在扮演越來越重要的角色。2017年8月，波音宣布已經(jīng)組建了新的波音增材制造（BAM）業(yè)務(wù)單元，以簡化和加速增材制造在整個波音企業(yè)內(nèi)的應(yīng)用，這也意味著3D打印的重要性提到正式議程。

在2003年，波音就通過美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室來驗(yàn)證一個3D打印的金屬零件，這個零件是用于F-15戰(zhàn)斗機(jī)上的備品備件。當(dāng)需要更換部件時，3D打印的作用顯現(xiàn)出來，因?yàn)橥ㄟ^傳統(tǒng)加工的時間太長了，并且通過3D打印加工鈦合金，替代了原先的鋁鍛件，而鈦合金的抗腐蝕疲勞更高，反而更加滿足這個零部件所需要達(dá)到的性能。（腐蝕疲勞是在腐蝕介質(zhì)與循環(huán)應(yīng)力的聯(lián)合作用下產(chǎn)生的。這種由于腐蝕介質(zhì)而引起的抗腐蝕疲勞性能的降低，稱為腐蝕疲勞。）

波音企業(yè)技術(shù)戰(zhàn)略總監(jiān)Leo Christodoulou，當(dāng)時這個零件是通過激光能量沉積的工藝加工金屬粉末來獲得的，這種定向能量沉積（DED）的工藝被首次應(yīng)用到軍事飛機(jī)上。同時也打開了波音公司的3D打印應(yīng)用之路。近14年后，波音公司現(xiàn)在已有超過50,000件3D打印的各種類型的飛機(jī)零件。

波音公司開始通過DED技術(shù)為其787夢幻客機(jī)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)部件。通過Norsk Titanium的快速等離子沉積技術(shù)，在結(jié)構(gòu)件研發(fā)的過程中，雙方共同改進(jìn)工藝，并進(jìn)行了一系列嚴(yán)格的測試，最終在2017年2月獲得了首個3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件的FAA認(rèn)證。

波音和Norsk Titanium最初的合作是自2016年開始的，當(dāng)初是試探性地合作，主要基于Norsk生產(chǎn)的零件是否能滿足波音的要求，然后是否符合聯(lián)邦航空管理局（FAA）的要求。Norsk Titanium先后滿足了這些嚴(yán)苛的條件，這些公司預(yù)計今年將獲得額外的FAA批準(zhǔn)的物料和制造流程。

Norsk Titanium的快速等離子沉積技術(shù)屬于DED工藝，雖然與粉末床選擇性金屬熔化工藝不同的是，這種工藝并不適合加工十分復(fù)雜的幾何形狀，但是通過3D打印近凈形部件，然后再通過機(jī)加工將其加工到最終所需要的精度，可以縮短加工周期，減少材料浪費(fèi)并降低成本。

根據(jù)Christodoulou，有些技術(shù)比DED工藝提供更好的復(fù)雜性，但DED工藝卻提供了另外一種價值。尤其是加工例如鈦合金這種昂貴的材料，所節(jié)約的材料的價值是顯而易見的。

波音選擇使用快速等離子沉積™3D打印技術(shù)進(jìn)行鈦合金結(jié)構(gòu)件的近凈成形制造，該工藝了替代鍛造等傳統(tǒng)制造工藝。Norsk Titanium公司表示通過快速等離子沉積™技術(shù)3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件，將最終為每架Dreamliner飛機(jī)節(jié)省200萬美元-300萬美元的成本。

根據(jù)Christodoulou的說法，DED可能是波音公司為生產(chǎn)終端而首先采用的技術(shù)之一，不過顯然3D打印是一系列不同的制造技術(shù)的組合，包括塑料的3D打印，復(fù)合材料，金屬和陶瓷等不同材料的打印工藝，都各具特色，并且為工藝鏈創(chuàng)造獨(dú)特的價值。

在波音公司的3D打印”工具箱”中，有一項技術(shù)是Stratasys的FDM技術(shù)。Stratasys的Infintely build 3D打印系統(tǒng)是Stratasys推出的大尺寸塑料零部件3D打印設(shè)備，打印的零件高度達(dá)0.76米（30英寸），寬度達(dá)1米（40英寸），Infinite-Build系統(tǒng)能自動檢測出材料的剩余量，材料耗盡之后由機(jī)械臂自動更換材料罐，從而實(shí)現(xiàn)不間斷的無人操作。

打印大型的塑料零件還有BAAM技術(shù)，去年，波音和橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）贏得了吉尼斯世界紀(jì)錄，他們合作3D打印了飛機(jī)機(jī)翼的夾具，這個夾具用于固定777X復(fù)合翼面以進(jìn)行鉆孔和加工。

不過雖然飛機(jī)零件制造商對嘗試一種新的技術(shù)保持開放的心態(tài)，但要進(jìn)入到生產(chǎn)體系是需要經(jīng)過嚴(yán)格的驗(yàn)證的，波音公司不僅僅使用新的3D打印技術(shù)，以創(chuàng)造出新穎性的零件。根據(jù)Christodoulou的說法，每個技術(shù)和零件都需要經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制過程。

“一些技術(shù)比其他技術(shù)更成熟，所以它比其他技術(shù)更有可能滿足波音的要求，”根據(jù)Christodoulou，“波音有充分的開放心態(tài)來捕捉新技術(shù)的好處，但落實(shí)到生產(chǎn)領(lǐng)域的實(shí)施必須是基于使用穩(wěn)定的技術(shù)和反復(fù)驗(yàn)證的可靠性�！�

Christodoulou表示，波音公司擁有非常嚴(yán)格的過程規(guī)范，以便在獲得一致的零件生產(chǎn)能力。一旦在多臺機(jī)器和全球各地的多個安裝中的過程中證明了穩(wěn)定性，波音就會開發(fā)一個數(shù)據(jù)庫來記錄零件的產(chǎn)品生命周期數(shù)據(jù)。這使得波音公司能夠擁有使用特定過程制造的特定零件的全部數(shù)據(jù)。

這不僅適用于制造工藝與流程，而且對于材料也是如此。最新的材料之一是波音公司正在試驗(yàn)由Oxford Performance Materials（OPM）-牛津性能材料開發(fā)的一種激光燒結(jié)OXPEKK。波音公司將為波音船員太空運(yùn)輸（CST）-100 Starliner航天器提供600多個零件。Starliner航天器最多可以攜帶七位乘客，也作為船員和貨物到達(dá)如國際空間站等低地軌道的交通工具。

與其他采用增材制造技術(shù)的航空航天公司不同，波音公司并不完全依賴內(nèi)部生產(chǎn)，Christodoulou指出，波音企圖在內(nèi)部工作和利用其供應(yīng)鏈之間取得平衡。

根據(jù)Christodoulou，“65％的工作是由波音的供應(yīng)商在波音之外完成的。但是波音必須在內(nèi)部活動和供應(yīng)鏈之間取得平衡。在很多情況下，波音的價值主張是與外部的供應(yīng)基地合作，利用他們的專長和資本投入。例如，Norsk對其技術(shù)進(jìn)行了大量資本投資，波音不一定要復(fù)制。而是寧愿和他們合作。波音重視并欣賞供應(yīng)商的貢獻(xiàn)�！�

來源：3D科學(xué)谷
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