增材制造技術在航空維修和保養(yǎng)中的應用

來源：賽斯智庫

隨著多種增材制造工藝和材料的應用,航空工業(yè)正在將增材制造技術應用于許多特殊的維修和保養(yǎng)工作。

一、原型設計
增材制造技術最初應用于密合度檢査的原型快速制造,在航空保養(yǎng)和維修中具有重要的實用價值。例如,美國海軍西南艦隊戰(zhàn)備中心制造了管件加固原型。驗證密合度后,再用鋁加工零件。計算機數(shù)控加工耗時,是勞動密集型工作(尤其是編程),并且可能生產(chǎn)能力有限,而增材制造原型可以防止因不正確的幾何形狀或尺寸公差而造成的浪費。

二、工具、夾具和鉆模
增材制造技術可通過制造工具、夾具和鉆模來減少航空維修和保養(yǎng)的成本和時間。如果沒有與增材制造終端使用部件相關的資格認證問題,這些優(yōu)勢幾乎可以立即實現(xiàn)。對于每架飛機,可使用增材制造技術打印數(shù)百個夾具、模板和鉆模,從而減少60%~97%的成本和交付周期。一家復合材料零件的工業(yè)供應商已經(jīng)確認,通過用材料擠出代替計算機數(shù)控加工來生產(chǎn)工具,可以節(jié)省79%的成本和96%的交付周期。

增材制造也可以制造大型工具。2016年,橡樹嶺國家實驗室使用大面積增材制造技術,生產(chǎn)了777X復合材料機翼蒙皮修整和鉆導。該結構是當時最大的3D打印制品,利用了橡樹嶺國家實驗室的碳增強聚合物加工技術。

軍事防護和保養(yǎng)機構也利用增材制造技術制造工具。自2006年以來,車隊戰(zhàn)備中心通過使用增材制造技術為車隊提供保障,制造定制工具,展示了用于板材沖壓和拉伸成形以及擠出打印模具的技術。增材制造工具被用于修理在海上硬著陸時損壞的AV-8B戰(zhàn)斗機,使用聚碳酸材料擠出工具來制備修理所需的鈑金倍增器。

航空金屬鑄件也可以從增材制造工具中獲益。這種部件的交付周期通常為10-12個月。來自歐特克公司和阿里斯托鑄造公司的團隊設計了一種調(diào)制矩陣結構,用于鑄造模型,以鑄造超輕型飛機座椅框架。計算機優(yōu)化設計的晶格結構使座椅重量減輕35%,同時滿足性能要求。該座椅框架采用鎂合金鑄造,與傳統(tǒng)的鋁減材制造相比,總重量減輕56%。

粘合劑噴射可用于創(chuàng)建砂型鑄造工具。與傳統(tǒng)制造相比,用增材制造技術制造模心可減少90%廢料。增材制造技術砂型鑄造的其他優(yōu)勢包括:縮短交付周期、節(jié)約成本、提高性能,以及可定制。增材制造技術用于鑄造模具,可消除對硬模式的需要,縮短交付周期并節(jié)約成本。增材制造技術打印砂模制成的復雜幾何形狀可以減輕重量或改進散熱設計。此外,如果增材制造工具能夠使鑄件部件合并,新鑄件可通過消除焊縫或緊固件來提高耐用性。

三、修理
增材造技術可用于修理航空發(fā)動機的金屬件,如渦輪發(fā)動機部件、葉片、壓縮機和外殼。當部件磨損或損壞時,該部件通常會報廢，需要制造新部件；然而,使用增材制造技術可以延長該部件的使用壽命。通過移除損壞的材料區(qū)域并使用未損壞的區(qū)域重建部件來修理部件。最常見的增材制造修理工藝是定向能量沉積。增材制造修理的價值受到以下因素的影響:缺陷檢測、現(xiàn)場修理部件的能力、替代修理技術的速度和成本,以及將部件恢復到具有相同機械性能的原始形狀的要求。
光機公司的激光工程凈成形技術成功修理了燃氣輪機發(fā)動機的部件。使用激光工程凈成形技術修理軸承座的成本僅相當于購買新軸承座成本的50%,交付周期從幾周減少到幾天。另一個例子是歐洲一家定向能量沉積機器制造商BeAM公司。該公可修理了800多個航空零部件,并將零部件的壽命從1萬小時延長到6萬小時。

四、終端可用零部件
航空與國防的另一個應用是直接制造終端可用零部件。金屬增材制造用于維護和保養(yǎng)的零部件方面,一個最典型的例子是美國海軍航空系統(tǒng)司令部演示的V-22“魚鷹”傾轉旋翼機發(fā)動機艙鈦合金連接和裝配組件。這一部件必須經(jīng)過廣泛的材料和性能測試才能獲得資格認證,然后才能安裝在飛機上。

美國海軍陸戰(zhàn)隊在“黃蜂”號航空母艦上使用塑料材料擠出臺式3D打印機,為F-35B起落架艙門制造了一個替換塑料保險杠。這個替換件節(jié)省了7萬美元成本,交付周期縮短了幾天。如果沒有3D打印更換保險杠的方法,就只能為“黃蜂”號航空母艦訂購和運送一扇完整的門。

增材制造技術還可實現(xiàn)復雜設計,只在需要的地方添加材料,以滿足強度、剛度、接口或可制造性要求。設計自由度可以減輕重量。一個設計團隊分析了將增材制造技術用于商用飛機座椅扣所帶來的優(yōu)勢,該座椅扣經(jīng)過重新設計,并采用增材制造技術制造,其重量由155g降至68g。一架空客A380有853個座位,替換設計將總共減重74kg,飛機服役壽命內(nèi)可節(jié)省燃料330萬升。

通用電氣航空集團在利用增材制造制備的下一代LEAP發(fā)動機燃料噴嘴中展示了減重和部件合并的綜合優(yōu)勢。20個部件的噴嘴重新設計為單一部件,減輕了25%的重量。新設計的噴嘴不僅更輕,而且比原始設計更耐用,強度高5倍。通用電氣公司計劃到2020年使用增材制造技術制造多達10萬個零部件。

增材制造技術也正在給太空制造帶來革命性變化。美國國家航空航天局已計劃將增材制造技術用于遠程制造,以保障長期飛行任務和人類探索。2014年11月,國際空間站安裝了太空制造公司的材料擠出打印機,2016年3月又安裝了功能更強的增材制造工廠。增材制造技術在太空中另一個應用領域是在軌道上打印和部署衛(wèi)星的潛力，這有可能為重建因年齡、自然損害或戰(zhàn)斗而退化的衛(wèi)星提供一種手段。

五、資格認證
航空工業(yè)使用資格認證和質量控制來確保公共安全。飛機零部件的資格認證過程可能耗資超過1.3億美元,耗時長達15年。使用增材制造技術進行直接零部件生產(chǎn)對資格認證提出了挑戰(zhàn),特別是關鍵零部件。增材制造工藝相對較新,因此幾乎沒有標準和最低限度的飛行經(jīng)驗。許多公司、組織和政府都在鼓勵制定標準。研究估計,對于一個給定的增材制造工藝,需要控制一百多個變量以產(chǎn)生穩(wěn)定和可重復的部分。缺乏標準導致增材制造技術實施的幾個障礙:材料數(shù)據(jù)在公司之間無法進行比較;不同的增材制造機器操作員使用不同的工藝參數(shù)；結果的可重復性可能不足;確保按規(guī)定生產(chǎn)產(chǎn)品的規(guī)范很少。

美國聯(lián)邦航空管理局成立了增材制造國家小組,以便與工業(yè)界、學術界和政府機構合作,將美國聯(lián)邦航空管理局的現(xiàn)行法規(guī)應用于增材制造產(chǎn)品,并制定認證結構安全性的指南。美國聯(lián)邦航空管理局認證的首批金屬增材制造部件之一是通用電氣航空集團的T25傳感器外殼。通用電氣公司在4個月內(nèi)設計、制造、生產(chǎn)、認證了該部件,并在400臺現(xiàn)場發(fā)動機上進行了改造。

粉末床熔合等金屬增材制造工藝中存在獨特的材料問題,影響資格認證。部件內(nèi)的機械性能不均勻。固有材料異常會影響斷裂韌性和疲勞(即循環(huán)負荷)強度,包括缺乏熔合、分布孔隙、夾雜物和殘余應力。對于增材制造技術,工藝認證中的一個重要步驟是在部件制造期間監(jiān)視增材制造過程,以識別對組件有害的工藝誤差。研究人員正在研究如何在金屬增材制造進行時檢測缺陷。

協(xié)作是加快增材制造技術應用和解決資格認證問題所必需的措施。美國制造是由聯(lián)邦政府建立的公私合作伙伴關系,致力于通過政府、行業(yè)和學術界的合作解決增材制造技術難題。2016年,美國制造與美國國家標準協(xié)會成立增材制造標準化協(xié)作組織,將各標準開發(fā)組織匯集在一起,如美國試驗與材料協(xié)會、美國焊接學會、電氣與電子工程師協(xié)會和國際標準化組織,并于2017年2月完成第一版標準路線圖。路線圖列出了增材制造技術的現(xiàn)有標準和規(guī)范,確定了正在開發(fā)的增材制造技術相關標準,并概述了所缺少的新標準。

六、結論
增材制造技術是一套制造工藝,可通過原型、工具、夾具、鉆模、零件修理和備件生產(chǎn)來減少保養(yǎng)時間和成本。縮短交付周期、降低成本和提高鋁材投入量與凈重量比的目標已經(jīng)實現(xiàn)。如果允許更改設計,則復雜結構的輕量化部件將實現(xiàn)節(jié)能,對環(huán)境產(chǎn)生積極影響。

要使增材制造技術得到更廣泛的應用,仍需克服各種難題,包括工藝控制、幾何公差、質量保證和可重復性。在處理飛機關鍵部件時,認證機構需要工藝控制、已知材料特性以及對重復獲得這些特性的信心。增材制造設計是另一個障礙。教授傳統(tǒng)制造設計方法的工程師現(xiàn)在需要適應利用增材制造技術的設計自由。一項研究揭示了采用增材制造技術的障得,包括成本、缺乏訓練有素的人才、最終產(chǎn)品質量的不確定性以及打印機速度。總體而言,增材制造技術的優(yōu)勢大于挑戰(zhàn),未來必然將在航空生產(chǎn)、維護和保養(yǎng)方面發(fā)揮更大作用。